Fisica: la natura della disciplina A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina La FISICA descrive gli stati in cui si possono trovare i sistemi fisici e i processi con cui tali stati vengono modificati, in generale quando il sistema interagisce con altri sistemi, per mezzo di relazioni tra le grandezze fisiche del sistema. Interpreta i fenomeni naturali nella misura in cui riesce a rendere conto dei fenomeni in modo quantitativo a partire da principi primi. La fisica costruisce conoscenza sul mondo sulla base di esperimenti e costrutti teorici coerenti (le sue radici epistemiche), Descrive e prevede i fenomeni attraverso leggi formalizzate matematicamente A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina LEGGE FISICA: relazione tra grandezze fisiche che si possa verificare sperimentalmente o ricavare formalmente (TEOREMA) da altre leggi e concetti Leggi fenomenologiche: descrivono le relazioni tra grandezze fisiche coinvolte in un fenomeno (cinematica dei processi) Leggi interpretative: descrivono i processi che determinano i fenomeni in termini causali o in generale a partire da principi primi A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina PRINCIPI Fisici: leggi fisiche che vengono assunte come capisaldi di una teoria. Tali leggi sono verificate sperimentalmente, sia direttamente, sia soprattutto indirettamente attraverso la verifica delle loro conseguenze. Si differenziano dagli assiomi delle teorie matematiche, in quanto i PRINCIPI FISICI derivano da evidenze sperimentali e non sono una mera costruzione concettuale della mente umana. In genere ad una legge fisica si attribuisce lo statuto di PRINCIPIO quando insieme agli altri principi di una teoria consente la deduzione logica della teoria stessa. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina - Ogni teoria ha sempre valore in un definito ambito di applicabilità (es.: per dimensioni opportune, velocità non elevate dei sistemi in oggetto, per proprietà che si considerano…) e non ha mai valore assoluto (anche nel tempo) - Ogni teoria è valutata esclusivamente per la sua capacità predittiva e condivisione dei suoi presupposti concettuali Ogni teoria ha validità solo in quanto riesce a fornire previsioni quantitative confrontabili con esiti sperimentali e tale confronto ha dato riscontro positivo (nell’ambito di applicabilità). Vince una teoria non in quanto “più vera”, ma in quanto è quella “che predice meglio” e che soddisfa a criteri di semplicità concettuale e simmetria Teorie concettualmente superate possono essere comunque di insostituibile valore e utilità (es.: meccanica classica) A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Il raccordo tra teoria e fatti sperimentali ha natura circolare. Esso si basa sulla costruzione di modelli formali attraverso cui si possono effettuare previsioni quantitative su un fenomeno fisico confrontabili con gli esiti di esperimenti. TEORIA ESPERIMENTI MODELLI per confermare, validare, falsificare teorie MODELLI per prevedere esiti sperimentali A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Una sfera di acciaio può essere analizzata da diversi punti di vista: Stati di equilibrio (meccanico) Stati di moto (come cambiano) Comportamento nelle interazioni con altri sistemi (cambiamento degli stati di equilibrio e degli stati di moto) e proprietà che determinano tale comportamento (massa, elasticità, plasticità) MECCANICA Stati di equilibrio termico (temperatura) Comportamento nelle interazioni termiche con altri sistemi e proprietà che determinano tale comportamento TERMODINAMICA Proprietà elettriche e magnetiche Comportamento in presenza di un campo e.m. ELETTROMAGNETISMO Proprietà ottiche e comportamento nell’interazione con la luce OTTICA A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Le diverse parti della fisica costituiscono altrettanti modi diversi, ma interconnessi, di guardare agli oggetti reali. Che cosa accomuna tutti questi diversi modi di guardare la sfera (che chiamiamo fisica) e li differenzia per esempio rispetto al modo di guardare alla sfera dell’ingegnere, del pittore o dello scrittore o del fotografo? In fisica si fornisce una rappresentazione estremamente fedele solo di pochi aspetti del sistema attraverso un apparato formale matematico le cui regole generali sono organizzate in teorie. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Modello fisico: costrutto formale, basato su una teoria fisica, che permette di descrivere con il desiderato dettaglio gli aspetti di interesse di un fenomeno in cui è coinvolto un definito sistema [modello  sistema fisico] Differenza rispetto ai modelli costruiti in ingegneria: il riferimento a una teoria. Anche il quadro di un artista è un modello di un sistema reale (ne riproduce alcuni aspetti e al tempo stesso può caricare la rappresentazione dell’oggetto rappresentato di significati proprio come fa la fisica), ma non è una rappresentazione formalizzata dell’oggetto. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Ogni sistema fisico può essere descritto attraverso le sue proprietà. Proprietà per cui è possibile definire un procedimento di misura: Proprietà per cui non è possibile definire un procedimento di misura: proprietà organolettiche Sapore (per ora non si sa misurare, anche se è chiaro che esso è in gran parte legato alla struttura fisica dell’alimento) GRANDEZZE FISICHE FISICA Definizione operativa: procedura con cui si effettua la misura della grandezza fisica considerata Definizione basata su una legge: legge formale che esprime la grandezza fisica per mezzo di altre grandezze A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Definizione operativa: Es. : Temperatura di un sistema: grandezza fisica che si misura con il termometro ponendo quest’ultimo a contatto termico con il sistema misurato e che si realizza all’equilibrio termico tra misuratore e sistema misurato. Definizione operativa di velocità: grandezza fisica che si misura con il tachimetro Definizione non operativa: Es. : Velocità - La velocità istantanea di un sistema fisico in un definito sistema di riferimento è data da: A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Tre grandi categorie di proprietà di un sistema: PROPRIETÀ DI STATO – Caratterizzano la condizione (di equilibrio, di stato di moto; di equilibrio termico; di equilibrio elettrostatico..…) in cui si trova un sistema fisico. PROPRIETÀ DEL MATERIALE O DELLA SOSTENZA con cui è composto il sistema (sottoinsieme: proprietà di interazione) PROPRIETÀ DEL SISTEMA, ossia che lo caratterizzano nella sua specificità di oggetto diverso dagli altri Energia, velocità, Temperatura, Quantità di carica, potenziale Densità, moduli di elasticità, viscosità, conducibilità termica, calore specifico, permeabilità magnetica, costante dielettrica, indice di rifrazione Lunghezza, volume, massa, capacità termica, capacità elettrica A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

Un altro modo di categorizzare le grandezze fisiche di un sistema Grandezze intensive: =m/V: massa volumica (Densità) Y, : Coefficienti di elasticità v: velocità T: Temperatura c: Calore specifico k: Conducibilità termica V: potenziale : resistività n: indice di rifrazione Grandezze estensive: M:massa V: volume, q = mv: Quantità di moto E : energia S: entropia C=mc: capacità termica Q: quantità di carica R: resistenza M  M/2  A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

Un altro modo di categorizzare le grandezze fisiche di un sistema Grandezze scalari: Una grandezza scalare è caratterizzata unicamente da un numero (eventualmente positivo o negativo). T: temperatura E: energia m: massa : densità V: volume n: indice di rifrazione Grandezze vettoriali: Una grandezza vettoriale viene definita da un modulo, una direzione, un verso un punto di applicazione e segue la regola associativa del parallelogramma (attenzione: vettore  le sue componenti si trasformano come le coordinate per un cambiamento di riferimento) r: vettore posizione v: vettore velocità F: vettore forza q: vettore quantità di moto A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Misura di una grandezza fisica: Numero seguito da una unità di misura e un intervallo di indeterminazione L = (15,3 0,2) cm Rapporto tra il valore della grandezza misurata del sistema fisico in osservazione e quello di una grandezza ad essa omogenea assunta come unità. Misura diretta: numero di volte in cui la grandezza riferita al campione della unità di misura è contenuta nella grandezza misurata del sistema Es.: misura di una lunghezza con un regolo = quante volte la lunghezza del regolo sta nella lunghezza dell’oggetto misurato Misura indiretta: si ricava il valore della grandezza fisica del sistema, utilizzando, nella legge che la definisce, il valore di altre grandezze fisiche ottenuto con una misura diretta. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Per poter effettuare la misura di una grandezza fisica è necessario disporre di: un campione di unità di misura omogeneo alla grandezza da misurare. Un criterio oggettivo di confronto tra due grandezze omogenee (criterio per satibilire se sono uguali o quale è maggiore) Un criterio per costruire multipli e sottomultipli del campione Criteri che si usano per scegliere i campioni sono Disponibilità Facilità di riproduzione Precisione Insieme al campione deve essere garantita la sua portabilità Il valore si sceglie in riferimento alla sua utilità pratica onde evitare che sia necessario un eccessivo uso di suffissi A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Sistemi di unità di misura Insieme coerente di u.m. con cui si esprimono i valori di tutte le grandezze fisiche. Ha carattere convenzionale ( fondamentale per poter comunicare in una comunità) Ora universalmente accettato: SI (Systhème International) Derivazione del MKS Ogni grandezza ha un simbolo (Non abbreviazione: niente puntino finale!) Ogni grandezza ha un nome che si scrive sempre minuscolo Es.: grandezza fisica: forza; simbolo: F; u.m.: N (newton) Quando si esprime il valore di una grandezza fisica questa va indicata o in notazione scientifica, o in notazione tecnica (con l’uso di prefissi) Se ci sono dei calcoli intermedi, in essi non si riportano le unità Le unità si riportano solo nel risultato finale A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Principali prefissi usati per le unità di misura nel SI Nome Simbolo Moltiplica per tera- T- 1012 giga- G- 109 mega- M- 106 kilo- k- 103 etto- h- 102 deca- da- 101 deci- d- 10-1 centi- c- 10-2 milli- m- 10-3 micro- - 10-6 nano- n- 10-9 pico- p- 10-12 Notazione scientifica: P = 5,65 ·106 W Con l’uso di prefissi : P = 5,65 MW Espressione di una misura in: A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

Le 7 unità fondamentali del Sistema Internazionale: Unità di misura Simbolo u.m. Grandezza fisica metro m lunghezza chilogrammo kg massa o kilogrammo secondo s tempo ampere A intensità di corrente elettrica kelvin K temperatura termodinamica candela cd intensità luminosa mole mol quantità di sostanza Le 2 unità supplementari: radiante rad angolo piano steradiante sr angolo solido A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina La definizione delle grandezze fondamentali e delle loro u.m. Tempo: grandezza fisica che si misura con gli orologi. Inizialmente: 1 s : 1/86400 del giorno solare medio Dal 1967: 1 s : durata di 9 192 631 770 oscillazioni di una ben definita radiazione emessa dall’atomo di 133Cs (una particolare linea spettrale) [radiazione non perturbata emessa dall’atomo di 133Cs nello stato fondamentale 2S½ nella transizione dal livello iperfine F=4, M=0 al livello iperfine F=3, M=0]. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Lunghezza: grandezza fisica che si misura con il metro (strumento di misura). Inizialmente: 1 m = 1/40.000.000 lunghezza del meridiano terrestre - dal 1875: distanza fra due tacche di una sbarra di Pt-Ir conservata al Bureau International des Poids et Mesures di Sèvres (Parigi) Dal 1960 e fino al 1983: Distanza corrispondente a 1 650 763,73 lunghezze d’onda di una specifica radiazione elettromagnetica emessa da un atomo di 86Kr Ora: distanza percorsa dalla luce nel vuoto in (1/2.997 924 58)·10-8 s A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina massa: Inizialmente (definizione di peso): il kilogrammo è la massa di 1 dm3 di acqua distillata a 4°C al livello del mare a 45° di latitudine Dal 1901: il kilogrammo è la massa del prototipo internazionale in platino-iridio conservato nel padiglione Breteuil a al Bureau International des Poids et Mésures, a Sèvres (Parigi) A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Temperatura Inizialmente: il grado centigrado è la centesima parte dell’intervallo tra la temperatura del ghiaccio fondente e la temperatura dell’ebollizione dell’acqua distillata entrambe considerate alla pressione di 1 atm. Dal 1954: il grado kelvin è la frazione 1/273,16 della temperatura del punto triplo dell’acqua. [punto triplo: stato in cui, acqua, vapore acque e ghiaccio coesistono. Si realizza per ben definiti valori di temperatura (T=0,0098 °C), pressione del vapore saturo d’acqua (4,58 mm Hg)] A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Intensità di corrente elettrica Dal 1960: L’ampere è la corrente elettrica costante che, fluendo in due conduttori rettilinei, paralleli, infinitamente lunghi, di sezione circolare trascurabile, posti nel vuoto a distanza di 1 m, determina tre essi una forza di 2 10-7 N per ogni metro di conduttore. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina

A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina Intensità luminosa: Dal 1979 La candela è l’intensità luminosa in una direzione, di una sorgente che emette una radiazione di frequenza 540·1012 Hz e la cui intensità energetica è di 1/683 W sr-1 Quantità di sostanza Dal 1971 Una mole è la quantità di materia di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi di 0,012 kg di carbonio 12 Fazio M. (1985) Dizionario e manuale delle unità di misura, Bologna:Zanichelli. A. Stefanel - Fisica: la natura della disciplina