MISURE ED ANALISI DATI SSIS

Scopo del corso Dare le basi corrette per Analisi dei dati Presentazione dei dati Confronto fra dati sperimentali e previsioni teoriche Raccolta/archiviazione dei dati Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA Un po’ di storia

MISURA E SCIENZA Nel nostro mondo mediatico si privilegia il ruolo delle idee Concetti Pensiero Teoria Ideologie Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA MA Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Ricordate MISURA E SCIENZA Ogni idea è pur sempre un modello Il controllo dev’essere fatto sempre sulla misura Il controllo è sempre numerico (quantitativo) Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

(mediorientale, greco, romano) MISURA E SCIENZA Il mondo antico (mediorientale, greco, romano) Conobbe i numeri Interi ... e positivi Razionali Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA Non conobbe Lo zero I numeri irrazionali I numeri negativi La notazione posizionale Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA Non ebbe simboli speciali per i numeri Uso di lettere Un embrione di notazione posizionale nei numeri romani Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA Uniche eccezioni, per Indiani e Maya: Zero e notazione posizionale Ma non ne fecero nulla I conti venivano fatti con gli abachi Ancora in uso Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Una conseguenza importante MISURA E SCIENZA Una conseguenza importante Non potendo fare calcoli ed approssimazioni con numeri grandissimi e piccolissimi non fu possibile il metodo sperimentale Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

IL MONDO ANTICO NON CONOBBE MISURA E SCIENZA IL MONDO ANTICO NON CONOBBE LA MISURA Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA In realtà La conobbe nelle applicazioni tecnologiche Non le attribuì mai valore conoscitivo E tanto meno quello di Valore Compito di Religione, Pensiero e Filosofia ... ed anche adesso .... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

MISURA E SCIENZA Le cose cambiarono quando gli Arabi introdussero i numeri indiani Notazione posizionale Presenza dello zero (parola araba) Sistema decimale (le nostre 10 dita...) Intorno al 900 - 1000 Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale al lavoro

Il metodo sperimentale Circa 1600: Galilei pone al centro dell’indagine conoscitiva il fatto Con fatto egli intende il risultato numerico di una misura È l’addio alla Sapienza degli Antichi ... ma anche alla Verità Rivelata e ad ogni ideologia precostituita … abbastanza per un processo ... ... ed anche adesso .... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Il metodo si sviluppa da sé Inizialmente sui problemi della meccanica celeste Cresce in modo empirico Nessuna sistemazione filosofica precostituita Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Attualmente è ancora in evoluzione Nel ‘900 scopre anche alcuni dei propri limiti Meccanica quantistica Complessità Oggi importante nei fenomeni biologici Buchi neri? Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Vediamo i punti fondamentali della tecnica conoscitiva (es.: gravitazione, spettri atomici) Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale All’inizio, di fronte ad un fenomeno sconosciuto... ... si raccolgono dati sul fenomeno Tycho Brahe, righe spettrali, raggi cosmici ... all’inizio di qualunque tipo, poi soprattutto numerici Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Si cercano leggi empiriche di sintesi Gravitazione: Kepler Righe spettrali: Rydberg Raggi cosmici: particelle e numeri quantici, ... Si costruiscono dei modelli o delle teorie La gravitazione con Newton, ma anche altri I modelli del gas perfetto I modelli atomici I modelli del nucleo Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Le teorie fanno delle previsioni Sempre numeriche La legge di gravitazione, la fisica quantistica + relatività Nuovi esperimenti vanno a verificare le previsioni delle teorie In ogni caso ricordate che nulla è “esatto” ...e la ragione è che... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale La misura è sempre il risultato dell’interazione fra due sistemi fisici Uno noto male il fenomeno da studiare L’altro noto meno peggio L’apparato sperimentale Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Tenete presente che anche nei problemi di Fisica nulla è “esatto” ...un sasso cade da 2,7 m in un punto dove l’accelerazione di gravità è di 9.8 ms-2... 2.7 o 2.72 ? 9.8 o 9.82 ? o 9.817 ? Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Alla fine del ‘700 Gauss scopre che le misure non sono mai esatte Pare che le posizioni di una stella non gli venissero mai uguali Però -da par suo- osserva che sono sì diverse, ma si assomigliano Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Gauss comprende che La stella appare muoversi lievemente nel campo visivo Ci sono piccole vibrazioni dello strumento .... Alla fine le posizioni della stella sono sempre diverse Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Se però si ripetono molte misure appare un fatto nuovo Le misure si addensano attorno ad un valore centrale e sfumano rapidamente al di fuori di esso Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Ecco alcune rappresentazioni abbastanza intuitive un’ipotetico set di misure sulla posizione di una stella Vantaggio della simulazione a calcolatore Quantità e popolazione del campione Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

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Il metodo sperimentale Oggi sappiamo che i risultati di una misura sono inficiati da almeno queste incertezze: Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Somme di piccole incertezze dovute sia al fenomeno sia allo strumento, sia alla loro interazione, sia... Errori casuali Imperfetta conoscenza degli strumenti Errori sistematici sperimentali Incertezze di calcolo Errori di approssimazione Incertezze dovute al metodo di calcolo Errori di sistematici teorici Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Errori sistematici nella teoria? CERTO! Anche nelle previsioni teoriche ci possono essere (e ci sono) errori Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale Casuali: se si usano metodi di stima statistica MonteCarli Catene di Markov ... Sistematici: Arrotondamenti Metodi di soluzione diversi Problemi nel continuo risolti alle differenze finite Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

stima delle incertezze Quindi... calcolo degli errori vuol dire stima delle incertezze E questa stima ha sempre valore statistico Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Confronto con la teoria Confronto fra due incertezze Quindi... Confronto con la teoria vuol dire Confronto fra due incertezze E questo confronto ha sempre valore statistico Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il metodo sperimentale È Scienza (= fisica?) tutto lo scibile che si richiama al metodo sperimentale Il resto no ... con buona pace di molta gente ... ed anche adesso .... È comunque un processo in fieri Le alte energie hanno cominciato con osservazioni empiriche non numeriche qualitative sui raggi “cosmici”! Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Sistemi di misura

DEFINIZIONE DELLE GRANDEZZE FISICHE È QUELLA I sistemi di misura ATTENZIONE L’UNICA DEFINIZIONE DELLE GRANDEZZE FISICHE È QUELLA OPERATIVA Un addio ai concetti di stampo filosofico Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

È LA DEFINIZIONE DI UNA GRANDEZZA FISICA IL PROCESSO DELLA SUA MISURA Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Una provocazione Insomma... Cos’è il tempo? Quella cosa che si misura con gli orologi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Unico sistema da usare: il SI Ricordate Tollerate alcune unità extra come Å, eV, ly, pc,... A parte l’eV ed il pc cercate di evitare tutto il resto Gli astronomi continuano ad usare il CGS ... Ricordate Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Per quanto ci riguarda i tentativi di sistemazione sono stati numerosi CGS MKS MKSW UEM UES BIS (British Imperial System) ... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Il numero di unità usate nella storia ed usate adesso è incredibile Intorno al migliaio Massimo input: Inghilterra ed Olanda Navigazione e commercio Oggi ci si aggiunge la Cina... Che però ne porta una decina scarsa (lunghezze, aree, volumi, masse) Una civiltà contadina, e non di navigatori Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Attenzione: ormai le quantità fondamentali non coincidono coi campioni I campioni fondamentali sono noti con livelli diversi di precisione Il SI comprende definizioni sia di unità fondamentali, sia unità derivate, sia regole per la scrittura, sia definizioni di prefissi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Unità fondamentali: kg, m, s, C Campioni E poi parecchie altre (candela, radiante, …) Campioni Unità di frequenza (transizione iperfini di Cs) In corso di ridefinizione Velocità della luce nel vuoto Tempo e spazio sono quantità derivate! Campione di massa (Pt-Ir a Sévres) Campione di corrente elettrica La carica elettrica è derivata! Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Unità derivate: quante se ne vuole Viscosità Rendimento termico di una stufa Potere detonante di una benzina ... Definite sempre in base a precisi protocolli tecnici Ricette Definite da istituti di metrologia Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Tutti i nomi delle unità cominciano con la lettera minuscola Le maiuscole o minuscole nei simboli sono obbligatorie Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura I nomi delle unità sono obbligatori I simboli delle unità sono obbligatori Maiuscole e minuscole sono obbligatorie Così In italiano è meglio dire kilometro che non chilometro Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Ci sono dei prefissi autorizzati Vietato l’uso di altri Tollerati centi- (centimetro), e simili, ma sconsigliati Spariscono quintale, ed altre porcherie Il BIS (British Imperial System) lasciatelo stare È vietato l’uso del cumulo di prefissi Milli-micro -> nano Ecco i prefissi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura I numeri si scrivono solo In notazione scientifica Mantissa da 1 a 10 Ordine di grandezza: quel che è In notazione tecnica Mantissa da 1 a 1000 Ordine di grandezza con uso dei prefissi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Esempi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Nelle unità di misura si usa la notazione esponenziale Così ma non Sono vietati nomi di fantasia Così ma non Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

privo di senso I sistemi di misura In tutte le misure è obbligatorio riportare Tutte e sole le cifre significative L’ordine di grandezza Le unità di misura L’errore (o intervallo di confidenza) Senza di ciò il risultato della misura è privo di senso Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura L’intervallo di confidenza ha un significato statistico preciso Lo vedremo più avanti Pressappoco (MOLTO “pressappoco”!): Fuori di 1: 30 % Fuori di 2: 4 % Fuori di 3: 0.3 % Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Notazioni possibili per gli intervalli di confidenza Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Ricordate! I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Vantaggi del SI: Si resta sempre nel sistema, con unità coerenti Le formule sono immediatamente traducibili in numeri Se si hanno altre unità conviene sempre Prima cambiarle nel SI Poi effettuare i calcoli Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

PRAKTIKUM

I sistemi di misura Calcolate la precisione con la quale è nota la costante di gravitazione universale Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

E se dobbiamo cambiare unità?

MOLTIPLICANDO PER 1! I sistemi di misura Come possiamo cambiare unità di misura? MOLTIPLICANDO PER 1! Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Un esempio: Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Calcolate a quante atmosfere, millibar, e Pa corrisponde una pressione di 4.17 psi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

LA LIBBRA INGLESE (POUND) SE ABBREVIATA lb O # MISURA UNA I sistemi di misura ATTENZIONE: LA LIBBRA INGLESE (POUND) SE ABBREVIATA lb O # MISURA UNA FORZA (PESO), SE NO MISURA UNA MASSA Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I sistemi di misura Poi (mi par giusto) di libbre ce ne sono due ... le quali (ovvio) si dividono in 12 ounces Ma naturalmente diverse fra USA e UK Ed ovviamente diverse a seconda che si tratti di solidi o liquidi (fluid ounces) ... INSOMMA... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

TENETEVI CARO IL SI! I sistemi di misura Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Il processo di misura

Il processo di misura Un processo abbastanza simile, sia che si tratti di sismometria, o di particelle elementari, o di sonde spaziali Una breve schematizzazione... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Quantità in studio Effetti e.m. Segnale e.m. Ampl.-Digital. Archiviazione 2 Pre-analisi Analisi Pubblicazione Confronto teorie Archiviazione 1 Selezione Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I rivelatori Traducono un fenomeno in un segnale e.m. , quantitativamente Energia cinetica media delle molecole in... ... cambiamento di volume di un corpo ... cambiamento di resistenza di un metallo termoresistenza ... cambiamento di resistenza di un SC Termistor Energia (velocità) di una particella Ionizzazione (luce Čerenkov) Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I rivelatori Sui rivelatori si scatena l’inventiva dello sperimentatore Oggi Società poderose Pregi di un rivelatore Robustezza Sensibilità – precisione - accuratezza Scarsa influenzabilità ad altro che al fenomeno in studio ... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

I rivelatori Attenzioni particolari per i rivelatori biomedici Delicatezza del compito per l’essere umano Materiali Miniaturizzazione Delicatezza del compito per la ricerca Possibilità di influire nel sistema complesso Soluzione batterica, introduzione di materiali esterni, effetti di superficie,... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Lo strumento come sistema fisico In ogni caso lo strumento È un sistema fisico Noi crediamo di conoscerlo bene perché lo abbiamo progettato È meglio non fidarsene mai troppo Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Lo strumento come sistema fisico Ad esempio: Un termistor funziona benissimo Dopo un po’ qualcuno avanza dei sospetti Si scopre che il SC non ha più le proprietà che aveva all’atto della costruzione È invecchiato Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

Lo strumento come sistema fisico Necessari continuamente Tarature Controllo con fenomeni noti Controlli con altri strumenti Meglio se basati su fenomeni diversi Rinnovo periodico della strumentazione Aggiornamento del personale Non c’è mai nulla di completamente automatico Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico

La misura come processo fisico Alla fine del processo si arriva a dei numeri Questi sono più o meno affidabili O per le imprecisioni degli strumenti O per la scarsa conoscenza degli strumenti stessi Cosa succede se vogliamo misurare una palla di gomma con un calibro? Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Non basta avere strumenti OCCORRE DEFINIRE UNA PROCEDURA PER OTTENERE I NUMERI DEFINITIVI Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Lo spazio (= la lunghezza) non è un concetto: È il risultato di una procedura ben definita Il risultato è un numero di metri Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico In relatività un régolo è un qualunque processo di misura dello spazio La distanza fra due cime di montagne?... La distanza fra due punti uno sulla Terra ed uno sulla Luna? C’è un delicato problema di movimento dei due oggetti... La distanza fra due punti sulla Terra basati su quanto sopra? Lo spessore della membrana di una cellula? Insomma... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Lo spazio è ciò che si misura coi régoli Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Esempi: Misura di una distanza con un calibro normale Misura di una distanza con un calibro Palmer Misura di una distanza con un comparatore Misura di una distanza al microscopio Misura di una distanza fra le cime di due montagne Misura di una distanza fra Milano e New York Misura dello spessore del piano armonico di un violino (magnetini e molla calibrata …) Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Precisioni per gli spazi, oggi Su 1 mm -> Su 1 m -> Fra la Terra e la Luna: Prudenza per la scarsa definibilità di “punto” ... ed inoltre ... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico ... il tempo è ciò che si misura con gli orologi Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Precisioni per i tempi, oggi Misurati con orologi meccanici Un s alla settimana, circa Misurati con gli orologi atomici Un s in 300 000 anni Oggi sono allo studio orologi 1000 volte più accurati Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Con misure migliori si scoprono fenomeni nuovi Con tempi meglio definiti non c’è più costanza della rotazione terrestre Con telescopi migliori si scopre che alcune stelle oscillano (sistemi planetari nuovi?) Con misure di spazio migliori si dettaglia la mappa della deriva dei continenti ... Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Con migliori gravimetri si fa la mappa delle masse sotto a noi Oggi fino a circa 20 km Petrolio Gas Falde sismiche Vulcani (Etna) … Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy

La misura come processo fisico Ogni grandezza fisica non è un concetto Nostra approssimazione mentale La sua definizione è il processo di misura Le teorie riguardano le solo le predizioni dei risultati delle misure NIENTE DI PIÙ Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - UDINE - Italy