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Misura. Aristotele (384 a.C. – 322 a.C.) Aristotele sistemo le conoscenze fisiche dei suoi tempi e tento di fondare la fisica sullosservazione e sullesperimento.

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1 Misura

2 Aristotele (384 a.C. – 322 a.C.) Aristotele sistemo le conoscenze fisiche dei suoi tempi e tento di fondare la fisica sullosservazione e sullesperimento. nessuna reminiscenza platonica. Si occupo di fisica, meccanica applicata, metereologia, …

3 Aristotele (384 a.C. – 322 a.C.) Indagine sperimentale non e ancora metodo sperimentale. E losservazione non e ancora misura. Il moto dei corpi: I corpi leggeri salgono, quelli pesanti tendono naturalmente verso il loro luogo, il centro della Terra Un corpo lanciato si mantiene in moto grazie alla spinta che riceve dal mezzo in cui il moto si sviluppa

4 Aristotele (384 a.C. – 322 a.C.) Limiti: Incapacita di isolare fenomeni singoli allinterno di un processo naturale in cui molti fenomeni si intrecciano Mancanza di una elaborazione analitica Prudenza nella generalizzazione Le sue osservazioni e la sistematizzazione della fisica sono degne di assoluto rispetto, ma non siamo ancora giunti al metodo sperimentale.

5 Tolomeo (A.D. 90 – A.D. 168) Tolomeo fu matematico, astronomo, geografo. Il suo capolavoro scientifico, lAlmagesto e un trattato di astronomia matematica che include ed estende le conoscenze dellastronomia greca (e babilonese). I parametri del modello erano basati su osservazioni/misure raccolte per quasi un millennio Non si puo dire che il modello non fosse ben fondato!

6 Tolomeo (A.D. 90 – A.D. 168) Due (condivisibili) osservazioni erano alla base del modello: Le stelle, il sole e i pianeti ruotano attorno alla terra ogni giorno. La terra non si muove Il modello geocentrico che Tolomeo costruisce e in grado di descrivere i moti dei pianeti e di prevedere le loro posizioni.

7 Tolomeo (A.D. 90 – A.D. 168) Il modello descriveva e prevedeva. Si puo chiedere qualcosa di piu a un modello?

8 Tolomeo (A.D. 90 – A.D. 168) Il modello descriveva e prevedeva. Si puo chiedere qualcosa di piu a un modello? Per una descrizione delle osservazioni lorbita di ogni pianeta era descritto da: Un Equante Un Deferente Un Epiciclo

9 Tolomeo (A.D. 90 – A.D. 168) Il modello descriveva e prevedeva. Si puo chiedere qualcosa di piu a un modello? Per una descrizione delle osservazioni lorbita di ogni pianeta era descritto da: Un Equante Un Deferente Un Epiciclo Il modello conteneva in totale 40 cerchi. Non e esattamente il modello piu semplice.

10 Nicolo Copernico (1473 – 1543) Per piu di 13 secoli il modello Tolemaico prospero incontrastato. E con la pubblicazione di De revolutionibus orbium coelestium nel 1543 da parte di Copernico, … … le cose non cambiarono.

11 Nicolo Copernico (1473 – 1543) Il modello geometrico era eliocentrico, basato sulle osservazioni, era predittivo. D: Era piu preciso di quello tolemaico? R: No! Era piu semplice. Es: il moto retrogrado e conseguenza della parallasse.

12 Nicolo Copernico (1473 – 1543) Ma richiedeva che la terra si muovesse. … che idea ridicola! Si dovrebbero osservare: Forze centrifughe Venti fortissimi Movimenti delle stelle fisse dovuti alla parallasse Quindi contrario alle osservazioni, e al buon senso, alla tradizione, religione, …

13 Excursus: parallasse La parallasse e un fenomeno di moto apparente di un corpo vicino rispetto a uno sfondo lontano e quindi fisso. I pianeti osservati dalla terra sono soggetti a vistosi fenomeni di parallasse (moto retrogrado) Le stelle vicine sono soggette a sottili fenomeni di parallasse

14 Tycho Brahe (1546 – 1601) Nobile danese, decise di dedicarsi pienamente allastronomia quando vide apparire una stella nova (1572) Lapparizione violava limmutabilita della sfera delle stelle fisse. Non esito a definire: Crassa ingenia. Caecos coeli spectatores" chi non ne intui limportanza Raccolse la piu accurata e comprensiva serie di misure astronomiche e planetarie dellepoca. Questa messe di misure fini nelle mani di …

15 Giovanni Keplero (1571 – 1630) Matematico, astronomo tedesco. Fu assistente di Tycho e ne eredito i dati sperimentali, facendone buon uso. Keplero analizzo le misure delle posizioni di Marte e non riusci ad ottenere accordo tra il modello tolemaico e i dati. Non riusci a trovare accordo nemmeno con il modello copernicano, finche …

16 Giovanni Keplero (1571 – 1630) … provo a modificare la forma dellorbita. Non piu circolare, con il sole al centro, ma ellittica, con il sole in uno dei fuochi. Lorbita di Marte corrispondeva perfettamente al modello! E senza epicicli Nel 1609 le prime due leggi di Keplero videro le stampe inAstronomia nova.

17 Sistema solare secondo Keplero (1621) Il modello Tolemaico descriveva, con qualche inesattezza, i dati orbitali dei pianeti. Ogni orbita necessitava di un equante, deferente, epiciclo. Il modello copernicano di Keplero (con orbite ellittiche) descriveva i dati orbitali con maggiore esattezza Ogni orbita era descritta da 1 ellisse Il modello era piu semplice ed elegante (e preciso).

18 Sistema solare (1621) Il modello di Keplero non suscito entusiasmo. Galileo e Cartesio ignorarono il suo lavoro. I Tolemaici restavano Tolemaici, i Copernicani restavano tali (se potevano), per non menzionare i Tychonici. La messa al bando da parte della chiesa (nel 1616) del modello copernicano non ne aiutava la diffusione.

19 Galileo Galilei (1564 – 1642)

20 Galileo Galilei

21 Galileo nel 1609 Docente di matematica a Padova, presenta il suo canocchiale al doge. Nel 1610 pubblica il Sidereus Nuncius e riporta: sono arrivato a costruirmi uno strumento cosi eccellente che le cose viste attraverso di esso apparivano ingrandite quasi mille volte […] che si fossero guardate con vista naturale La scoperta delle lune di Giove (pianeti Medicei), delle fasi di Venere, la rugosita della Luna Limpatto sul mondo scientifico (e non) fu dirompente.

22 Il canocchiale di Galileo Galileo probabilmente non fu linventore del canocchiale. Ma grazie alla paziente sperimentazione, laccurata lavorazione delle lenti, egli aveva trasformato uno strumento che era poco piu che un giocattolo in un potente strumento scientifico. E ne aveva raccolto i frutti.

23 Galileo e leliocentrismo Galileo fu copernicano ben prima della pubblicazione del Sidereus. Le osservazioni delle fasi di Venere confermarono questa sua convinzione. Nel 1616 ricevette lordine da parte del cardinal Bellarmino di non insegnare la teoria copernicana se non come un metodo matematico, una ipotesi. Vi si adeguo. … per qualche tempo.

24 Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Nel 1624 Galileo inizia a lavorare ad un trattato di astronomia e fisica in forma di dialogo, pubblicato nel Il Dialogo e anche unopera pedagogica volta ad abbattere il principio di autorita. Nel 1633 Galileo e di nuovo nei guai, questa volta seriamente, fu costretto allabiura.

25 Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Il Dialogo tra i tre protagonisti (Salviati, Sagredo e Simplicio) si estende in 4 giornate Galileo (Salviati) confuta la tesi aristotelica dellincorruttibilita e impassibilita dei corpi celesti. Le osservazioni sperimentali delle macchie solari, delle stelle novae, delle montuosita lunari ne erano levidenza, … ma non per Simplicio. Galileo utilizza le nuove leggi della meccanica (principio di inerzia, di relativita, composizione dei moti) per smontare le critiche degli aristotelici al moto della terra Descrizione delle misure sulla stella nova del 1604, le fasi di Venere, i satelliti di Giove, macchie solari (Ri)presentazione della teoria delle maree come prova sperimentale certa del moto della terra. In realta era una prova errata di un fatto corretto

26 Il Dialogo come trattato di meccanica La seconda giornata contiene le prime leggi della meccanica come la conosciamo ora Principio di relativita galileiano: rinserratevi […] nella maggior stanza che sia di sotto coverta di alcun gran navilio; […] osservate diligentemente […] fate muover la nave con quanta si voglia velocita, che (pur che il moto sia uniforme) voi non riconoscerete una minima mutazione in tutti gli effetti, ne […] potrete comprendere se la nave cammina o pure sia ferma

27 Il Dialogo come trattato di meccanica La seconda giornata contiene le prime leggi della meccanica come la conosciamo ora Il principio di inerzia: a principiar il moto e ben necessario il movente, ma a continuarlo basta in non haver contrasto Per ricavare il suo principio Galileo usa le misure da lui effettuate sulla caduta (e risalita) lungo piani inclinati e le estende al limite tramite un Gedankenexperiment, un esperimento pensato.

28 Galileo: lapproccio alla natura Galileo fu il padre di fondamentali scoperte nei campi della astronomia e della fisica. Queste non furono il suo merito maggiore. Introdusse un nuovo approccio nello studio della natura caratterizzato da: Il ripudio del principio dautorita Lo studio descrittivo della natura, capire come, non perche. Labbandono di ogni causa occulta, o finalita della natura. Il riconoscere che il libro della natura e scritto in lingua matematica La fede nella semplicita della natura

29 Galileo: il metodo sperimentale Galileo fondo il metodo sperimentale, che non e solo lesperimento o la misura. E un processo di indagine che si puo schematizzare in quattro momenti: La percezione del fenomeno, la sensata esperienza La formazione di una ipotesi di lavoro, lassioma Questa e la scoperta, che scaturisce da una analisi critica della sensata esperienza Le conseguenze logiche dellipotesi, il progresso matematico La verifica sperimentale delle conseguenze e quindi dellipotesi La conoscenza scientifica evolve quando questo processo giunge a compimento.

30 Nel solco di Galileo

31 Descartes (1586 – 1650) Ispirato dalle scoperte che Galileo aveva compiuto con lutilizzo del cannocchiale, Cartesio inizia lo studio dellottica e piu in generale la teoria della luce. I risultati non furono allaltezza del genio del filosofo e matematico francese. La natura della luce resta oscura, ma la luce della conoscenza si estende …

32 Descartes – Legge della rifrazione - Arcobaleno Utilizzando una analogia meccanica Descartes deriva correttamente le leggi della riflessione e rifrazione luminosa. Partendo da queste leggi fornisce una spiegazione matematicamente e fisicamente corretta della formazione dellarcobaleno Testo di Fisica, AD2010 Descartes, ~AD1630

33 La misura della velocita della luce Il ritardo tra il suono e la luce, nel caso di fenomeni come i fulmini o le cannonate era ben noto. Attribuito correttamente alla limitata velocita del suono. Allo stesso modo era conoscenza diffusa che la luce si propagasse istantaneamente. Ma la conoscenza diffusa non sempre coincide con la verita. E questo non sfuggiva ad una mente fine come …

34 La misura della velocita della luce Galileo (1638). Galileo posiziona due lampade in cima a due colline distanti circa un miglio. La prima lampada viene scoperta da Galileo, la seconda dallassistente quando la luce della prima lo raggiunge. Galileo puo quindi misurare il ritardo del segnale luminoso di ritorno e stimare la velocita. Risultato: nessun ritardo viene misurato ( t=10 s) Galileo conclude: non ho potuto assicurarmi se veramente la comparsa del lume opposto sia instantanea; ma ben, se non instantanea, velocissima

35 La misura della velocita della luce Romer (1675) Romer osservo che una delle lune di Giove, Io, usciva da dietro il pianeta a tempi diversi rispetto a quelli previsti. Il tempo di uscita dalle eclissi dipendeva dalla posizione della terra nella sua orbita solare. La differenza di tempo tra le due posizioni era di circa 1000 secondi e Romer ne attribui correttamente la causa alla limitata velocita della luce Che misuro con un errore del ~25%

36 Nel solco di Galileo Isaac Newton ( )

37 Isaac Newton Fu matematico, fisico, astronomo immenso. Con la monografiaPhilosophiæ Naturalis Principia Mathematica, pubblicata nel 1687, ha posto le fondamenta della meccanica classica, della teoria della gravitazione. I Principia e uno dei trattati scientifici piu influenti della storia.

38 La nascita della meccanica Il lavoro iniziato da Galileo, con il principio di inerzia, fu portato a compimento da Newton. Le tre leggi della dinamica furono enunciate per descrivere la meccanica di tutto luniverso Galileo e Huygens avevano attaccato il problema dei moti sulla terra

39 I Principia Lapproccio matematico/assiomatico di Newton lo porto a dare organicita e generalita al materiale, anche sperimentale, raccolto dai suoi predecessori. Defini: Massa, (massa inerziale) Che era proporzionale al peso Quantita di moto Forza, Vis impressa, come causa dellaccelerazione Spazio e tempo assoluti Derivo le tre leggi della dinamica: Principio di inerzia Proporzionalita tra forza e accelerazione (F=m·a) Principio di azione e reazione

40 I Principia e i molteplici padri Nei Principia Newton rende omaggio ai suoi predecessori, come a ricordare che il suo sforzo di sistematizzazione fu il culmine di un lavoro portato avanti da Galileo, Wallis, Huygens tra gli altri. Infatti in un altra occasione Newton ebbe a dire: If I have seen further it is by standing on ye sholders of Giants

41 I Principia e i moti gravitazionali Newton disponeva di una enorme messe di misure sulle posizioni dei pianeti. Keplero aveva inoltre gia derivato le sue tre leggi. Orbita ellittica Velocita areolare costante Relazione tra tempi di rivoluzione e distanze medie Tycho aveva risposto alla domanda: dove e il pianeta? Keplero aveva risposta alla domanda: come si muove il pianeta Toccava a Newton rispondere: perche si muove cosi?

42 I Principia e i moti gravitazionali

43 La legge di gravitazione universale La legge di gravitazione che Newton deriva ha valenza universale. Moti dei pianeti Moto delle maree Moto di caduta dei corpi Anche delle mele che cadono dagli alberi La legge di gravitazione introduceva il concetto di attrazione a distanza. Concetto poco digeribile ai piu. Videro questa virtu insita nei corpi come un ritorno a qualita occulte della materia.

44 Newton e lottica Newton non fu solo finissimo matematico e fisico teorico. I suoi studi sperimentali di ottica sono alla base della nostra ottica fisica. Stabili la corrispondenza tra indice di rifrazione e colore Ne dedusse la teoria dei colori, smentendo la secolare tradizione secondo la quale i colori sono prodotti dai corpi investiti dalla luce Mostra la sintesi dei colori con il disco di Newton Rimane un fermo assertore della natura corpuscolare della luce, rifiutando lidea che unonda possa propagarsi per linee rette.

45 Il telescopio di Newton Dopo Galileo altri si cimentarono nella costruzione di telescopi, anche con tecniche diverse. Keplero costrui un telescopio usando due lenti convesse, quindi ancora un telescopio a rifrazione Newton comprese che uno dei limiti intrinsici di questi telescopi era dato dal fenomeno di dispersione luminosa. Rifrazione dipende dalla frequenza Aggiro genialmente lostacolo sostituendo le lenti con specchi Riflessione NON dipende dalla freq. Nasceva il telescopio Newtoniano o a riflessione Che Newton sviluppo per 15 anni

46 Galileo, Newton: Errori scientifici

47 Lottica

48 Lottica dopo Newton I lavori sullottica di Newton lasciavano molte questioni aperte. La prima di queste su quale fosse la natura della luce: Corpuscolare Ondulatoria

49 Thomas Young (1773 – 1829) Una risposta (quasi) definitiva venne data da un fisico inglese, Young, e dalla sua famosa esperienze delle 2 fenditure Due fenditure che emettono luce monocromatica danno origine ad una figura di interferenza su uno schermo lontano. Tale figura e analoga ai fenomeni di interferenza osservati quando le onde si propagano sulla superficie dellacqua. Questa fu la misura principe che dimostro la natura ondulatoria della luce

50 Lottica dopo Newton I lavori sullottica di Newton lasciavano molte questioni aperte. La prima di queste su quale fosse la natura della luce: Corpuscolare Ondulatoria

51 Il Modello Standard Il Modello Standard (Standard Model) rappresenta la sintesi della conoscenza sperimentale e teorica di decenni di indagine sulle particelle elementari. Le forze elettromagnetiche e deboli vengono unificate in una unica forza, la forza elettro-debole, di cui


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