Unità A1 Descrivere i fenomeni.

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1 Unità A1 Descrivere i fenomeni

2 Unità 2 Il percorso delle idee
Alcuni valori Unità 2 Il percorso delle idee Descrivere i fenomeni

3 Il Sistema Internazionale
La descrizione completa di un fenomeno spesso richiede che si misurino le proprietà dei corpi che vi partecipano. Dall’Ottocento, si sono tentati “sistemi di unità di misura” comuni. Finalmente, nel 1954, è nato il Sistema Internazionale (SI), oggi il più diffuso. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

4 Il Sistema Internazionale
Descrivere i fenomeni

5 Il Sistema Internazionale
La lunghezza Una delle prime grandezze che l’uomo ha avuto necessità di misurare è la lunghezza. Probabilmente per questo motivo essa è stata anche una delle prime per le quali fu stabilita un’unità di misura. Nel 1791 l’Accademia delle Scienze di Parigi definì il metro come la decimilionesima parte dell’arco di meridiano terrestre che collega l’equatore con il polo Nord passando nei pressi di Parigi. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

6 Il Sistema Internazionale
La lunghezza Nel corso dei secoli, il riferimento è stato cambiato più volte. Attualmente, il metro corrisponde alla distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/ s. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

7 Il Sistema Internazionale
La massa La grandezza che più intuitivamente si collega alla fisicità degli oggetti che ci circondano è la massa. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

8 Il Sistema Internazionale
Uno strumento col quale si può misurare la massa di un corpo è la bilancia a due bracci. Grazie a essa, il corpo in esame viene confrontato con alcune “masse campione”, ossia con alcuni corpi la cui massa è nota. L’operazione si chiama “pesata” e, pertanto, nel linguaggio comune si dice che si determina “il peso” di un oggetto. La massa Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

9 Il Sistema Internazionale
In realtà, parlando in tal modo, si confondono la massa, ossia la quantità di materia che forma il corpo, indipendente dal luogo in cui esso si trova, e il peso, che è la forza con cui il campo gravitazionale terrestre attira la massa del corpo stesso, e può dunque variare da luogo a luogo. Il peso di un corpo dipende infatti dall’accelerazione di gravità. Precisamente, si ha: La massa Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

10 Il Sistema Internazionale
La differenza tra il peso e la massa di un corpo può essere messa in evidenza con bilance basate su differenti principi di funzionamento. In una bilancia a due bracci si confronta ogni volta l’oggetto da misurare con delle masse campione. L’accelerazione di gravità agisce allo stesso modo sui due bracci della bilancia, per cui la misura che si ottiene, che è una misura di massa, è indipendente dall’accelerazione di gravità del luogo in cui ci si trova. In una bilancia a molla la misura viene letta su una scala preparata utilizzando dei campioni di massa nota. In questo caso, ciò che si misura è il peso del corpo. Tali bilance danno perciò misurazioni diverse se si opera a una gravità diversa da quella a cui sono state tarate. La massa Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

11 Il Sistema Internazionale
La massa Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

12 Il Sistema Internazionale
Il tempo Anche il tempo è una grandezza che gli uomini hanno sempre sentito la necessità di misurare. La definizione del secondo ha subìto vari cambiamenti nel corso degli anni. Per molto tempo, ci si è basati a questo scopo su riferimenti astronomici. Attualmente, si definisce il secondo come la durata di oscillazioni della radiazione emessa dall’isotopo 133 del cesio posto in un campo magnetico. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

13 Il Sistema Internazionale
La temperatura Tutti i campi scientifici ricorrono alla grandezza temperatura per descrivere i fenomeni studiati. Nelle produzioni industriali e anche nella vita di tutti i giorni essa riveste un ruolo determinante. La vita stessa degli organismi, del resto, può avvenire solo entro limiti ristretti di temperatura. Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

14 Il Sistema Internazionale
Sulla Terra la temperatura si mantiene entro valori molto ristretti, se confrontati con quelli che incontriamo nell’Universo. La temperatura Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

15 Il Sistema Internazionale
Per le esigenze quotidiane, è ancora molto usato il grado centigrado o Celsius (°C). La scala centigrada, basata su di esso, è arbitraria, cioè legata a stati fisici della materia scelti come punti di riferimento, ai quali sono stati assegnati valori di temperatura ‘di comodo’. I riferimenti scelti sono il punto di fusione del ghiaccio e il punto di ebollizione dell’acqua in condizioni standard di pressione (1 atm). A questi punti sono stati attribuiti rispettivamente i valori 0 °C e 100 °C. Ad essi si fa riferimento per la costruzione dei termometri. La temperatura Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

16 Il Sistema Internazionale
I termometri tradizionali si basano sulla proprietà dei liquidi di dilatarsi o restringersi al variare della temperatura ma esistono anche altri modi per misurare la temperatura. I termometri “digitali”, ad esempio, sfruttano la variazione delle proprietà elettriche dei corpi in funzione della temperatura. Oppure, la temperatura di un corpo si può misurare rilevando la quantità di raggi infrarossi che esso emette: in tal modo, la misura si può effettuare senza entrare in contatto con il corpo stesso. La temperatura Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

17 Confronto fra le tre scale termometriche più usate
La temperatura Il Sistema Internazionale Descrivere i fenomeni

18 Descrivere i fenomeni Le grandezze derivate

19 Il volume è una tipica grandezza derivata, visto che si ottiene
come prodotto di tre lunghezze. Un’altra unità di misura del volume non definita dal SI, ma molto usata sia in chimica sia nella vita di tutti i giorni, è il litro, che equivale a 1 dm3. Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

20 La densità Un’altra grandezza derivata è la densità.
Quando si indica la densità di un corpo si deve sempre precisare la temperatura alla quale la misura è stata effettuata. Con l’aumentare della temperatura, infatti, mentre la massa dei corpi rimane costante, il loro volume di norma aumenta. La densità sarà perciò in generale tanto più bassa quanto più cresce la temperatura. Tale variazione, minima nei solidi, diviene più significativa nei liquidi, come si è visto costruendo il termometro. Nei gas, la densità è fortemente collegata, oltre che alla temperatura, anche alla pressione. Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

21 Per i solidi, la densità si ricava misurando separatamente massa e volume e poi facendone il rapporto. Per i liquidi, si può sfruttare il densimetro, un galleggiante tarato. Poiché la spinta che riceve dal liquido è, per il principio di Archimede, tanto più grande quanto più denso è il liquido stesso, dal livello di galleggiamento si può ricavare la densità del liquido. La densità Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

22 La densità Strumenti per misurare la densità Picnometro
Bilancia idrostatica Densimetri Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

23 La forza Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

24 L’energia È intuitivo associare l’energia a masse in movimento come una cascata d’acqua, un cavallo in corsa o un atleta che sollevi pesi. Anche la benzina, però, possiede energia: infatti, se viene bruciata in un motore, è in grado di far muovere una macchina. Analogamente, però, anche un masso immobile sulla cima di una montagna ha in sé una grande energia. L’energia si presenta insomma sotto varie forme ed è necessario darne una definizione abbastanza generale da comprenderle tutte; per questo motivo si ricorre al concetto di lavoro. Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

25 Un principio fondamentale della fisica afferma che l’energia non si crea né si distrugge.
Essa, tuttavia, si trasforma continuamente dall’una all’altra delle sue forme. Così, i composti chimici contenuti in una pila trasformano la loro energia chimica in energia elettrica, che a sua volta può mettere in azione un motore, che fornisce energia meccanica. La stessa energia elettrica può causare il riscaldamento di una resistenza e tramutarsi in energia termica. Anche il calore infatti è una forma di energia. L’energia Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

26 Per tutte le forme di energia si utilizza sempre la stessa unità di misura, il joule. Il joule è un’unità derivata da quelle fondamentali del SI: 1 J = 1 N · 1 m = 1 kg · 1 m2 · 1 s−2 Vi è anche un’altra unità ancora molto usata per la misura dell’energia, soprattutto in riferimento agli alimenti: la caloria (cal), che non appartiene al SI e per la quale vale la conversione: 1 cal = 4,184 J L’energia Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

27 Quando si devono indicare grandi quantità di energia, si utilizza talvolta come unità di misura la tep (tonnellata equivalente di petrolio). 1 tep è la quantità di energia mediamente ottenibile dalla combustione di 1000 kg (ossia una tonnellata) di petrolio e si ha: 1 tep = 42 GJ 1000 kg di petrolio corrispondono approssimativamente a 5,5 barili L’energia Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

28 L’energia NON confondiamo temperatura e calore!
La temperatura di un corpo dipende dall’energia cinetica media delle sue particelle; il suo calore è l’energia termica complessiva che possiede. Facciamo un paragone. Cadendo da uguale altezza, corpi diversi cedono quantità di energia diverse a seconda della loro massa. Analogamente, una tazza e una pentola piene di acqua bollente hanno la stessa temperatura, ma il calore che possono cedere e gli effetti che possono produrre sull’ambiente sono ben diversi. L’energia Le grandezze derivate Descrivere i fenomeni

29 Grandezze intensive ed estensive
Le grandezze vengono divise in due categorie fondamentali: grandezze intensive e grandezze estensive. Consideriamo, per esempio, la densità. Essa è costante per una data sostanza, indipendentemente dalla quantità che se ne considera. La densità del rame, infatti, è uguale sia che se ne prenda in esame un grammo, sia che ci si riferisca a 1000 kg. Un discorso del tutto analogo può essere fatto per la temperatura, per la pressione o per la velocità. Un comportamento esattamente contrario ha la massa. La massa di una sostanza dipende ovviamente dal corpo a cui ci riferiamo. Lo stesso discorso vale per la lunghezza o il volume di un corpo. Grandezze intensive ed estensive Descrivere i fenomeni

30 Errori È facile riscontrare che quando una stessa misura viene effettuata più volte, si trovano generalmente valori discordanti. E questo perfino se a effettuarla è la stessa persona e utilizzando lo stesso strumento. Questo fatto si spiega considerando che ogni misura è soggetta a errore. Gli errori che si compiono eseguendo una misura, pur di diversa natura, si possono classificare in due gruppi: errori sistematici ed errori casuali. Errori Descrivere i fenomeni

31 Errori Gli errori sistematici sono legati all’abilità con cui si effettuano le misure e alla qualità degli strumenti impiegati. Per esempio, un analista che non sia in grado di percepire velocemente un cambiamento di colore o una bilancia che presenti un difetto di fabbricazione compiono tipicamente errori sistematici. Gli errori sistematici, per la loro natura, hanno la caratteristica di ripetersi in modo costante; si possono quindi ‘smascherare’ confrontando i risultati delle misure con quelli ottenuti da un’altra persona o con un altro strumento. Errori Descrivere i fenomeni

32 Errori Gli errori casuali sono invece dovuti a fattori non determinabili né prevedibili. Possono essere provocati da particolari situazioni, come fluttuazioni di temperatura e di pressione, dall’affaticamento dell’occhio, dalla disattenzione dovuta alla stanchezza ecc. La natura casuale di tali errori fa sì che a volte le misure ottenute si discostino dal valore vero talvolta per eccesso e talvolta per difetto. Ciò consente di minimizzarli ripetendo più volte la misurazione e considerando la media dei risultati ottenuti. Errori Descrivere i fenomeni

33 La “bontà” di una misura viene valutata in base a due parametri: accuratezza e precisione.
buona accuratezza e scarsa precisione Errori scarsa accuratezza e buona precisione Errori Descrivere i fenomeni

34 Errori scarsa accuratezza e scarsa precisione
buona accuratezza e buona precisione Errori Descrivere i fenomeni

35 Per quanto detto a proposito degli errori, si può facilmente osservare che un’accuratezza elevata si raggiunge quanto più si riducono gli errori sistematici. !!! ??? Errori Analogamente, una buona precisione si ha quando sono ben bilanciati gli errori casuali. Errori Descrivere i fenomeni

36 Spesso, per riportare una misura e la sua precisione, si ricorre a una rappresentazione molto sintetica. Dopo aver fatto una serie di misure, si ne fa la media e si esprime il risultato come: dove xmax e xmin rappresentano il valore massimo e quello minimo della serie in questione. Allora, l’espressione: si dice errore assoluto del risultato ed esprime la precisione della serie di misure. Talvolta, è necessario rapportare l’errore assoluto al valore medio della serie e si parla allora di errore relativo percentuale: Descrivere i fenomeni Errori

37 Al contrario della precisione che, come si è visto, si determina a partire dalle sole misure, l’accuratezza può essere valutata solo se è noto il valore vero, nel qual caso si possono calcolare direttamente l’errore assoluto e quello relativo. In genere, però, il valore vero non si conosce e al suo posto si usa quello ritenuto più probabile perché basato su prove generalmente accettate. Descrivere i fenomeni Errori

38 Alcuni valori Alcuni valori Descrivere i fenomeni

39 Alcuni valori Alcuni valori Descrivere i fenomeni

40 Alcuni valori Alcuni valori Descrivere i fenomeni

41 Le cifre significative
Quando diciamo che la statura di una persona è 1,83 m, intendiamo che essa è 1,83 volte l’unità di misura delle lunghezze, rappresentata da 1 m. Per esprimere una misura, in effetti, è sempre necessario indicare un numero e l’unità rispetto alla quale la misura è effettuata. Le cifre significative Ogni strumento consente una misura, ma non tutti hanno la capacità di ottenere dati ugualmente accurati. Se consideriamo per esempio due bilance digitali, notiamo che esse possono misurare la massa di uno stesso oggetto con un numero maggiore o minore di cifre decimali. Le cifre significative Descrivere i fenomeni

42 Le cifre significative
La misura, infatti, viene espressa con un numero di cifre che riflette le caratteristiche dello strumento; in particolare, la sua sensibilità. Le cifre significative Le cifre significative Descrivere i fenomeni

43 Le cifre significative
Entrambe le misure della larghezza del foglio che abbiamo ottenuto, dunque, sono corrette. Se invece avessimo scritto 14,81 cm o 148,53 mm avremmo sbagliato: i nostri strumenti non hanno l’accuratezza indicata da queste cifre e le misure così espresse sarebbero risultate ingannevoli. In pratica, il valore che si ricava quando si misura una grandezza viene espresso utilizzando solo le cifre che sono chiaramente definibili, dette cifre significative. La misura effettuata con il metro da sarto ha tre cifre significative, quella con il righello ne ha quattro. Le cifre di una misura correttamente eseguita sono tutte significative, a eccezione degli eventuali zero iniziali. 406 1235,567 1,23 0,002 Le cifre significative Le cifre significative Descrivere i fenomeni

44 Le cifre significative
Esiste un modo per esprimere le misure in maniera che siano subito evidenti le cifre significative: la cosiddetta notazione scientifica. Le cifre significative Le cifre significative Descrivere i fenomeni

45 Le cifre significative
Per esprimere un numero in notazione scientifica si procede nel modo seguente. Se il numero considerato è maggiore di dieci: • si scrive il numero in questione come un decimale minore di dieci; • lo si moltiplica per una potenza di dieci il cui esponente è uguale al numero delle cifre rimaste a destra della virgola; • si eliminano gli zero finali. Le cifre significative Se al contrario il numero da rappresentare in notazione scientifica è minore di uno: • si eliminano gli eventuali zero iniziali spostando la virgola verso destra; • si moltiplicano cifre rimanenti per una potenza negativa di dieci, il cui esponente corrisponde al numero degli spostamenti effettuati. Le cifre significative Descrivere i fenomeni