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Università di Pisa Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Enrico Fermi Corso di Laurea in Fisica - L30 Presentazione.

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Presentazione sul tema: "Università di Pisa Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Enrico Fermi Corso di Laurea in Fisica - L30 Presentazione."— Transcript della presentazione:

1 Università di Pisa Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Enrico Fermi Corso di Laurea in Fisica - L30 Presentazione del corso di Laboratorio di Fisica I 12 CFU Docenti: Prof. Franco Angelini Prof. Sergio Giudici Prof. Marco M.Massai anno accademico 2011/2012 Corso di Laboratorio di Fisica I

2 Dipartimento di Fisica E.Fermi Corso di Laboratorio di Fisica I Università di Pisa Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Enrico Fermi Corso di Laurea in Fisica - L30

3 Lo staff: docenti, esercitatori, tecnici I parte Lezioni (30 ore +/- 3) Prof. Marco M.Massai Esercitazioni (c.a. 32 ore) Prof. Franco Angelini Prof. Sergio Giudici Prof. Marco M.Massai Dott. Johan Bregeon Dott. Luca Baldini Dott. Carmelo Sgrò Dott. Marco Tinivella I tecnici: Stefano Orselli, Claudio Luperini, Andrea Bianchi, …. Corso di Laboratorio di Fisica I

4 Lo staff: docenti, esercitatori, tecnici I parte Lezioni (30 ore +/- 3) Prof. Marco M.Massai Esercitazioni (c.a. 32 ore) Prof. Franco Angelini Prof. Sergio Giudici Prof. Marco M.Massai Dott. Johan Bregeon Dott. Luca Baldini Dott. Carmelo Sgrò Dott. Marco Tinivella I tecnici: Stefano Orselli, Claudio Luperini, Andrea Bianchi, …. Corso di Laboratorio di Fisica I II parte Lezioni (20 ore +/- 2) Prof. Franco Angelini Esercitazioni (c.a. 28 ore) Prof. Franco Angelini Prof. Marco M. Massai Prof. Sergio Giudici Dott. Johan Bregeon Dott. Carmelo Sgrò Dott. Marco Tinivella

5 Le finalità del corso Introduzione al lavoro sperimentale Avviamento al lavoro di gruppo. Sviluppo di concetti base, in particolare: misura incertezza livello di confidenza Introduzione allutilizzo di alcuni strumenti di misura. Rappresentazione delle misure. Acquisizione delle nozioni fondamentali di probabilità e statistica per lanalisi e la comprensione dei dati sperimentali. Scelta di una legge fisica (in casi semplici) e sua validazione (test). Approccio critico e consapevole alluso del calcolatore. Corso di Laboratorio di Fisica I

6 Le finalità del corso un esempio: arrivare alla comprensione profonda e non ambigua delle seguenti definizioni Una possibile definizione di misura "Una misura diretta (in fisica) è una procedura complessa, definita attraverso la sequenza di azioni elementari, che permette il confronto quantitativo tra una proprietà di un corpo (qualunque) e la stessa proprietà di un altro corpo, scelto in modo arbitrario, ma sempre lo stesso, e che viene assunta come unità campione E quindi, coerentemente: "Il valore di una misura è il risultato numerico di una procedura che permette di stabilire il rapporto tra una proprietà o caratteristica di un corpo (massa, lunghezza, temperatura...) e la stessa proprietà di un altro corpo, ad esso omogeneo, che viene assunta come unità di misura Corso di Laboratorio di Fisica I

7 …altri (importanti) obiettivi del corso Il Corso di Laboratorio di Fisica I inoltre si prefigge altri obiettivi: 1. Offrire un supporto alla teoria studiata nei corsi di Fisica Generale (Meccanica). Scoprirete (anche a vostre spese…) che la Fisica nelle esperienze di laboratorio è spesso meno semplice (ma più ricca ed anche più divertente!) di quanto non si possa pensare… 2. Studiare e osservare sperimentalmente i fondamenti dellOttica geometrica. Corso di Laboratorio di Fisica I

8 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: Osservazioni e misure Corso di Laboratorio di Fisica I

9 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: Osservazioni e misure Stima dei parametri, verifica di ipotesi Corso di Laboratorio di Fisica I

10 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: Osservazioni e misure Stima dei parametri, verifica di ipotesi Modello Teoria Corso di Laboratorio di Fisica I

11 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: Osservazioni e misure Previsioni Stima dei parametri, verifica di ipotesi Modello Teoria Corso di Laboratorio di Fisica I

12 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: Osservazioni e misure Previsioni Stima dei parametri, verifica di ipotesi Modello Teoria SI Nuovo modello NO Corso di Laboratorio di Fisica I

13 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: dove mettereste linizio? Osservazioni e misure Previsioni Stima dei parametri, verifica di ipotesi Modello Teoria SI Nuovo modello NO Laboratorio I

14 Uno schema per rappresentare il metodo scientifico: dove mettereste linizio? Osservazioni e misure Previsioni Stima dei parametri, verifica di ipotesi Modello Teoria SI Nuovo modello NO Laboratorio I

15 Corso di Laboratorio di Fisica I (I parte) teoria (c.a. 30 ore) Misure: Misure di lunghezza, tempo, massa, temperatura (campioni di misura, alcuni strumenti nelle loro caratteristiche principali). Analisi e rappresentazione delle misure: Cifre significative e convenzioni di scrittura delle misure. Errore come incertezza nelle misure; errore sistematico e casuale, errore massimo, errore relativo, precisione ed accuratezza delle misure. Propagazione degli errori. Rappresentazione grafica delle misure, scale funzionali. Elementi di probabilità e statistica: Variabili causali, definizione di probabilità, funzione di distribuzione, momenti. Distribuzione binomiale, di Poisson, di Gauss, del Chi quadro. Teorema del Limite Centrale. Introduzione alla teoria dei campioni, media campione, varianza campione, distribuzione della media. Metodi di Fit: Metodo dei minimi quadrati, metodo del minimo Chi quadro. Test del Chi quadro. Corso di Laboratorio di Fisica I

16 Corso di Laboratorio di Fisica I (I parte) le esercitazioni 1) Osservazione dellerrore casuale * 2) Misure di densità di vari materiali (ottone, alluminio, plexiglas…carta!). 3) Misura di g (mediante luso di una molla). 4) Verifica della legge del pendolo semplice. 5) Misure di conducibilità termica (rame ed alluminio) 6) Studio del moto di una sferetta su un piano inclinato. 7) Studio del pendolo fisico. 8) Verifica di una funzione di distribuzione. 9) Validazione di una legge fisica (Test del Chi-quadro) * Le esercitazioni si svolgono nei Laboratori del Dipartimento, dalle alle * In Aula Tre Gruppi di studenti il lunedì, tre Gruppi il martedì. Il mercoledì, dopo la lezione delle 14.00, dalle 15.00, fino alle 18.00, gli studenti possono completare lanalisi dei dati e scrivere le relazioni sotto la guida di un Docente.

17 Corso di Laboratorio di Fisica I (II parte) teoria (c.a. 20 ore) Introduzione all'ottica geometrica: Approssimazioni, riflessione, rifrazione, specchi piani e sferici, sistemi diottrici centrati. Metodi di Fit: Fit di tipo generale. Approfondimenti di probabilità e statistica: Distribuzione esponenziale, correlazione lineare, distribuzione t di Student, distribuzione F di Fisher, t-test, F-test, funzione di distribuzione di funzioni di variabili casuali. Introduzione all'uso del calcolatore: Caratteristiche generali dei PC, sistemi operativi (Linux). I PC in laboratorio: misure di intervalli di tempo utilizzando la porta parallela, misure sui pendoli utilizzando la scheda audio, misure sul tavolo ad aria utilizzando una telecamera digitale. Introduzione all'uso di Gnuplot e LaTeX. Corso di Laboratorio di Fisica I

18 Corso di Laboratorio I (II parte) le esercitazioni 1) Esercitazione al calcolatore: verifica del T.L.C. 2) Misure di indice di rifrazione (plexiglas, acqua). 3) Studio del moto di un pendolo quadrifilare. 4) Tavolo ad aria: leggi di conservazione di grandezze meccaniche. 5) Studio delle leggi di specchi e lenti. 6) Pendoli accoppiati: modi normali di oscillazione, battimenti. 7) Oscillazioni forzate: misure su un sistema risonante. 8) Studio del moto di un volano. Corso di Laboratorio di Fisica I

19 Limportanza dellerrore: una storia curiosa La prima verifica della Relativita Generale è consistita nella misura della variazione apparente della posizione di una stella, dovuta alla deviazione della luce che passa in prossimità del sole. Tale misura fu effettuata durante uneclisse di sole: la posizione reale della stella poteva essere successivamente misurata con precisione di notte. La differenza tra le due posizioni dava direttamente la deviazione dovuta alla presenza della massa solare. Tale misura non fu eseguita prima del 1919 a causa della Guerra. Nel 1915 Albert Einstein, che ha una cattedra a Berlino, pubblica una teoria per rendere compatibile la gravità con la Relatività (ristretta); tale teoria prese il nome di Relatività Generale e fu accolta con grande scalpore, ammirazione e sconcerto (soprattutto in Italia…). Einstein rivoluzionava la gravità di Newton, il quale aveva proposto la sua Legge basandosi soprattutto su le osservazioni e misure degli astronomi; la Teoria di Einstein, al contrario, veniva dedotta da considerazioni logico-deduttive e da principi generali. Quindi aveva bisogno di essere verificata. Ma in Europa era in corso la I Guerra Mondiale che vedeva da una parte la Germania patria dei maggiori fisici teorici del tempo, dallaltra Gran Bretagna, Francia e Stati Uniti, che avevano enormi potenzialità di sviluppo nella Ricerca. Per questo le nuove idee di Einstein tardarono a diffondersi nel resto del mondo. terrasole S S

20 Alla prima occasione, lastronomo inglese Lord Eddington organizzò la misura durante leclisse del 29 maggio 1919 dallIsola di Principe, davanti alla costa atlantica dellAfrica. Il risultato fu strabilinate: previsione della R G = risultato della misura: = ( ), 95% CL Il 6 novembre 1919, alla Royal Society di Londra ci fu la discussione sui risultati. La critica più efficace fu sulla stima del valore dellincertezza di misura. E sorprendente osservare, però, che dopo alcuni decenni, analizzando di nuovo le lastre usate per le prime misure, fu stimato che lincertezza della misura era dello stesso ordine della misura stessa, inficiandone il livello di confidenza. Tuttavia va ricordato che, nellautunno del 1919, in Brasile lastronomo Sobral aveva confermato con maggiore precisione il risultato di Lord Eddington. Biblio.: 1) Stephen Hawking : Dal Big-Bang ai buchi neri 2) Le Scienze, collana I Grandi della Scienza: Albert Einstein Limportanza dellerrore: una storia curiosa

21 Vediamo alcune esperienze un esempio (semplice…): il pendolo semplice Materiale utilizzato - Metro a nastro, calibro. - Cronometro (risoluzione 0.01 s). - Bilancia di precisione (risoluzione g). Che cosa si impara dallanalisi delle misure... - Dipendenza del periodo dalla lunghezza del pendolo. - Indipendenza del periodo dalla massa del pendolo. - Non isocronia delle oscillazioni (con un po di attenzione nelle misure). Quindi: verifica di una legge fisica falsificazione di una legge fisica Corso di Laboratorio di Fisica I

22 Un esempio (meno semplice…): il pendolo quadrifilare Materiale utilizzato - Sistema di acquisizione dei tempi realizzato mediante la porta seriale di un calcolatore. Che cosa si misura... - Non isocronismo delle oscillazioni (facendo un minimo di attenzione si riesce ad apprezzare il termine in 4 !). - Caratteristiche dello smorzamento del periodo di oscillazione nel tempo. Quindi: si verifica un modello più complesso, cioè una nuova legge. Corso di Laboratorio di Fisica I

23 Un esempio di elaborato (cioè, di relazione…) Per ogni esperienza, viene richiesta al Gruppo di lavoro una (ed una sola) relazione sul lavoro svolto e che prevede ovviamente anche lanalisi dei dati e la propagazione dellerrore. Corso di Laboratorio di Fisica I

24 Ancora sul pendolo quadrifilare (1) La qualità dei dati è tale da mostrare chiaramente che lo smorzamento delloscillazione non è esponenziale, come un modello naive suggerirebbe. Corso di Laboratorio di Fisica I

25 …ancora sul pendolo quadrifilare (2) Con un modello un po più sofisticato laccordo è decisamente migliore. E quanto migliore puo esseremisurato cioe ricondotto ad un valore numerico. Corso di Laboratorio di Fisica I

26 Corso di Laboratorio di Fisica I Il materiale necessario Alcuni attrezzi del mestiere vengono forniti dal Laboratorio: carta millimetrata, carta logaritmica, tutti gli strumenti (bilancia, cronometro, calibro, micrometro…) Altre dovete comprarle voi: quaderno di bordo (log-book), con fogli quadrettati e carta millimetrata; righello da 30 cm (per fare i fit grafici) Il log-book, almeno uno per ciascun banco di lavoro, dovrà conservare traccia di ciò che avete fatto, nel bene e nel male, durante le esercitazioni. E utile fornirsi di una pennina (drive-pen) dedicata al lavoro di Laboratorio di Fisica per trasportare facilmente dati e testi delle relazioni. … ma non dimenticate! Anche se in Laboratorio si lavora con le mani (e con gli strumenti), è opportuno che il cervello sia sempre ben collegato! Corso di Laboratorio di Fisica I

27 Calendario (semi-ufficiale) delle attività Ottobre 2011 NovembreDicembreGennaio 2012 FebbraioMarzoAprileMaggioGiugnoLuglio Lezioni Esercitazioni AgostoSettembreOttobre 27/9/1114/12/11 6/12/1117/10/11 ?? I sessione desame II sessione desame III sessione desame Tutte le date, anche se verosimili, sono indicative! Durante il Corso verranno proposti dei seminari di approfondimento di alcuni risultati curiosi incontrati in laboratorio. I seminario: Prof. GianPaolo Cicogna Le Dimensioni Frattali II seminario: Prof. Leone Fronzoni I Sistemi Complessi t (mesi) Corso di Laboratorio di Fisica I

28 Gli esami ( prima o poi arrivano …) Gli esami possono essere sostenuti nelle tre sessioni desame (gennaio-febbraio, giugno-luglio, settembre) che comprendono cinque appelli (2, 2, 1). Per superare lesame, è sufficiente (ma anche necessario) studiare con continuità!). Lesame è unico alla fine del secondo semestre (seconda o terza sessione desame). Lesame consiste in una prova pratica (c.a. 3 ore) da svolgere singolarmente, seguita da una prova orale (c.a. 1 ora). Corso di Laboratorio di Fisica I

29 Testi consigliati (in ordine decrescente…) 1. L. Martinelli, L. Baldini - Misure ed analisi dei dati: introduzione al Laboratorio di Fisica (edizioni ETS). 2. M. Loreti, Teoria degli errori e fondamenti di statistica (http://wwwcdf.pd.infn.it/labo/INDEX.html). 3. J. R. Taylor, Introduzione allanalisi degli errori (Zanichelli ed.). Ulteriori informazioni sui corsi si trovano presso: (raggiungibile anche dalla pagina del Dipartimento di Fisica attraverso I Links Dip.di Fisica -> Didattica -> Laboratori didattici). Corso di Laboratorio di Fisica I

30 Per concludere: …tra le sicure maniere di conseguire la verita e lanteporre lesperienza a qualsivoglia discorso, non sendo possibile che una sensata esperienza sia contraria al vero… Galileo Galilei

31 …forse, questo è stato il vero inizio del Metodo Scientifico. Per concludere: …tra le sicure maniere di conseguire la verita e lanteporre lesperienza a qualsivoglia discorso, non sendo possibile che una sensata esperienza sia contraria al vero… Galileo Galilei


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