Corso di Fisica - Introduzione Prof. Massimo Masera Corso di Laurea in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Anno Accademico 2011-2012 dalle lezioni del prof. Roberto Cirio Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia

Nota Le figure inserite in queste lezioni sono state tratte da: Borsa - Scannicchio, Fisica con applicazioni in biologia e in medicina, Unicopli Cromer, Fisica per medicina, farmacia e biologia, Piccin Editore Giambattista, Fisica generale, McGraw-Hill Giancoli, Fisica 2a edizione, CEI Kane - Sternheim, Fisica Biomedica, E.M.S.I. Serway & Jewett, Principi di Fisica, EdiSES Scannicchio, Fisica biomedica, EdiSES Walker, Fondamenti di Fisica, Zanichelli Gran parte delle animazioni sono tratte da: http://www.ba.infn.it/fisica2005/

La lezione di oggi Presentazione La Fisica Dimensioni / unità di misura Conversioni

Presentazione

Presentazione Corso: lezioni di 2 ore, 3 volte la settimana. Da Febbraio a Giugno. Frequenza alle lezioni: fortemente consigliata Lezioni in aula: Presentazione al computer + lavagna Esercitazioni alla lavagna Persone: Prima parte del corso: prof. Massimo Masera Seconda parte: prof. Cristiana Peroni Esercitazioni: dr Giorgia Mila

Esame L’esame prevede uno scritto e un orale Scritto: soluzione di esercizi + risposta ad alcune domande Validità dello scritto: un anno Orale: domande su tutto il programma svolto ed, eventualmente, sulla prova scritta. Voto: La valutazione complessiva (in trentesimi) dell'esame viene effettuata in sede di prova orale, tenendo conto del risultato dello scritto  Media “ragionata” di scritto e orale

Testi consigliati Testi consigliati (non obbligatori. Se ne avete altri, contattatemi): J.S. Walker, Fondamenti di Fisica, Zanichelli (confezione tomo 1a, 1b, volume 2), ISBN88.08.24454.7 G.Riontino, Lezioni di fisica, ed. Cortina Altri testi (in ordine alfabetico): A.Giambattista, Fisica generale, McGraw-Hill, ISBN 978.88.386.6416.8 D.Giancoli, Fisica con Fisica Moderna, 2a edizione, Casa Editrice Ambrosiana, ISBN 978- 88-408-1414-8 D.Scannicchio, Fisica biomedica, EdiSES, ISBN 978-88-7959-476-9 G.Bellini, G.Manuzio: Fisica per le scienze della vita, ed.Piccin Esercizi: Celasco–Panzieri,2000 problemi di fisica,ECIG, ISBN 978.88.7545.756.3 Programma del corso: interamente svolto a lezione. Si trova sulle slide disponibili in formato PDF su CampusNet Caveat: le slide non sostituiscono MAI un buon testo di riferimento

Reperibilità del docente Su appuntamento: E-mail: massimo.masera@unito.it Telefono: 011-670 7373 Ufficio: Dipartimento di Fisica - via Pietro Giuria, 1 “Edificio Vecchio” primo piano, stanza A30 (chiedere in portineria)

La Fisica e le grandezze fisiche

Fisica La Fisica ha per obiettivo lo studio delle leggi fondamentali della Natura (da fusiς = natura) Studio: Descrizione quantitativa dei fenomeni naturali uso del linguaggio matematico Formalizzazione dei problemi Scienza della Natura: La base della conoscenza è sperimentale Capacità di predizione dei fenomeni organizzazione dei fenomeni in teorie e modelli fisici Teorie confrontate sempre con i dati esperimentoali

Grandezze fisiche La quantificazione delle osservazioni sperimentali è il processo di misura. Si misurano delle grandezze, quali intervalli di tempo, distanze, velocità, correnti elettriche, campi magnetici etc. Queste grandezze possono espresse numericamente con l’adozione di un sistema di unità di misura Nel Sistema Internazionale (SI) – Parigi 1960 – ci sono 7 unità base, che consentono di esprimere quantitativamente le più disparate grandezze fisiche Unità base e derivate – 2 esempi: Il tempo è stato scelto come grandezza fondamentale. Si misura in secondi (s) la velocità è una grandezza derivata. Si esprime come rapporto tra una lunghezza e un tempo  m/s

Unità base (S.I.) Le unità base sono associate a grandezze fisiche che vengono assunte come fondamentali Questo significa che le altre grandezze possono essere espresse come combinazioni di queste

Definizioni unità base

La velocità della luce è esattamente pari a 299 792 458 m/s Lunghezza: metro (m) La velocità della luce è esattamente pari a 299 792 458 m/s 1791: 1/10.000.000 distanza Polo Nord – Equatore  Barra campione di Pt-Ir  Distanza percorsa dalla luce nel vuoto nel tempo 1/299792458 s

Massa: kilogrammo (kg) kilogrammo. Simbolo: kg (k minuscolo!!!!) Inizialmente definito come la massa di un decimetro cubo d’acqua. Successivamente come la massa del prototipo di Pt- Ir  la definizione non è basata su una proprietà fisica La massa è una proprietà intrinseca e costante di un oggetto Il peso di un oggetto dipende dalla sua massa E dall’accelerazione di gravità

Tempo: secondo (s) Secondo (s) inizialmente definito sulla base del giorno solare medio, composto di 24 ore ×60 minuti ×60 secondi = 86400 s Dalla XIII Conferenza Generale di Pesi e Misure (1967), il secondo è il tempo occorrente alla radiazione emessa da un atomo di 133Cs per completare 9192631700 oscillazioni

Analisi dimensionale e cifre significative

Analisi dimensionale La dimensione di una grandezza fisica è il prodotto delle dimensioni fisiche fondamentali, ciascuna elevata a una potenza (razionale) opportuna La massa è una dimensione fisica, mentre il kilogrammo è un’unità di misura Dimensione Simbolo Unità S.I. Simbolo Unità Lunghezza L metro m Massa M kilogrammo kg Tempo T secondo s Corrente elettrica I ampère A Temperatura termodinamica Q kelvin K Quantità di materia N mole mol Intensità luminosa J candela cd

Analisi dimensionale La dimensione di una grandezza fisica è legata al tipo di grandezza che si sta considerando La misura di una grandezza fisica ha un valore che dipende dall’unità di misura scelta (la dimensione non cambia) Distanza tra Torino e Moncalieri: 3 km 2 miglia 10000 piedi la dimensione è comunque una lunghezza: [L]

Analisi dimensionale Quantità Dimensione Distanza [L] Area [L2] Volume Qualsiasi formula deve essere dimensionalmente consistente la grandezza a primo membro deve avere la stessa dimensione di quella a secondo membro non si possono sommare grandezze aventi dimensioni diverse (e.g. lunghezze e masse) Quantità Dimensione Distanza [L] Area [L2] Volume [L3] Tempo [T] Velocità [L T-1] Problema Verifica che è dimensionalmente consistente la formula: x = x0 + vt [L] = [L] + [L T-1][T] [L] = [L] + [L T-1 T] [L] = [L] + [L]  OK

Cifre significative e decimali A ogni misura è SEMPRE associata un’incertezza

Cifre significative e decimali Cifre significative: numero di cifre note con certezza d=21.26 cm (4 cifre significative) t=0.085 s (2 cifre significative) Decimali: d=21.26 cm (2 decimali) t=8.5 s (1 decimale)

Operazioni Moltiplicazione o divisione: numero di cifre significative della quantità conosciuta con minore precisione Addizione o sottrazione numero di decimali uguale al minor numero di decimali presenti in ogni addendo

(ARROTONDO, NON TRONCO !!!) Esempi DIVISIONE d = 21.26 cm (4 cifre significative, 2 decimali) t = 8.5 s (2 cifre significative, 1 decimale) v = 21.26 / 8.5 = 2.5011764705882352941176470588235 = 2.5 cm s-1 (2 cifre significative, 1 decimale) (ARROTONDO, NON TRONCO !!!) SOMMA v0 = 1.384 cm s-1 (4 cifre significative, 3 decimali) 2.5 + 1.384 = 3.884 = 3.9 cm s-1

Notazione scientifica Mterra = 5970000000000000000000000 kg Sposto di 24 posizioni verso sinistra la virgola  1024 Mterra = 5.97x1024 (si può anche scrivere 5.97 1024) Matomo idrogeno = 0.00000000000000000000000000167 kg Sposto di 27 posizioni verso destra la virgola  10-27 Matomo idrogeno = 1.67x10-27 (si può anche scrivere 1.67 10-27) MterraMatomo idrogeno = (5.97x1024 kg)x(1.67x10-27 kg) = (5.97x1.67)x(1024x10-27) = 9.99x10-3 kg2 Matomo idrogeno/Mterra = (1.67x10-27 kg)/ (5.97x1024 kg) = (1.67/5.97)x(10-27/1024) = 0.280x10-51 = 2.80x10-52

Esercizi Il numero medio di piastrine nell’uomo è di 300000 elementi per mm3. Esprimere tale grandezza utilizzando la notazione scientifica. Soluzione: # medio piastrine = 300000 elementi = 3 * 105 elementi Nell’atomo di Cesio si compiono 9 miliardi di oscillazioni al secondo. Calcolare l’ordine di grandezza della durata di ogni oscillazione, espressa in notazione scientifica. durata 1 oscillazione = (1/9000000000) s Questa espressione può essere riscritta facendo uso della notazione scientifica.. durata 1 oscillazione = (1/9*10-9) s = 1.1 * 10-10 s

(Sotto)multipli e grandezze notevoli

Grandezze notevoli

Multipli e sottomultipli Esprimi in k€ e M€ il prezzo di un’auto venduta a 5700 € 5700x10-3 k€ = 5.7 k€ 5700x10-6 M€ = 0.0057 M€

Notazione scientifica e cifre significative 2500 m può avere: 2 cifre significative (incertezza di misura 100 m) 4 cifre significative (incertezza di misura 1 m) Ma non ho dubbi se scrivo 2.5 103 m  2 cifre significative 2.500 103 m  4 cifre significative

Errori di arrotondamento 2.21 Euro + 8% tasse = 2.3868 Euro = 2.39 Euro 1.35 Euro + 8% tasse = 1.458 Euro = 1.46 Euro (2.39+1.46) Euro = 3.85 Euro (2.21+1.35) Euro + 8% = 3.8448 Euro = 3.84 Euro Quando si fanno i calcoli, occorre usare almeno 1 cifra significativa in più e arrotondare alla fine

Conversione Unità di misura

Conversione Unità di misura

Conversione unità di misura Lunghezza S.I. – metro (m) U.K. inch - pollice (in) = 0.02540 m (25.40 mm schermo TV) U.K. foot - piede (foot) = 0.3048 m U.K. yard – yard (yd) = 0.9144 m U.K. statute mile – miglio terrestre (mi) = 1609.34 m U.K. sea mile – miglio marino (sm) = 1853.2 m Superficie S.I. – metro quadrato (m2) agricoltura – ettaro = 104 m2 tradizione agricola piemontese – giornata – 3 810 m2 1 giornata di lavoro – corrispondenza con la quantità di terreno arabile in una giornata con una coppia di buoi

Esempio Esprimere in metri e in pollici il diametro dei globuli rossi (d = 1/100 di millimetro) Soluzione: diametro = 0.01 mm = 0.00001 m si ricorda che 1 pollice = 25.40 mm dunque… 1 mm = 1/25.40 pollici = 0.03937 pollici diametro = 0.01 mm = (0.01 x 0.03937)pollici = 0.0003937 pollici

Conversione unità di misura Volume S.I. – metro cubo (m3) U.K. imperial gallon – gallone inglese (lmp gal) = 4.546 dm3 USA oil barrel – barile di petrolio (bbl) = 158.98 dm3 Massa S.I. – kilogrammo (kg) N.S.I. – tonnellata (t) = 1000 kg U.S. ounce – oncia (oz) = 0.02335 kg U.S. pound – libbra (lb) = 0.4536 kg

Esempio Per preparare una soluzione si dispongono sul tavolo del laboratorio 14.5 g di solfato di rame ed un recipiente contenente 1.5 kg di acqua. Esprimere in once la massa del soluto e del solvente. Soluzione: si ricorda che 1 oncia = 0.02335 kg dunque… 1 kg = 1/0.02335 once = 42.83 once 1 kg = 1000 g Massa soluto = 14.5 g = 0.0145 kg = (0.0145*42.83) once = 0.621 once Massa solvente = 1.5 kg = (1.5*42.83) once = 64.245 once

Passiamo da km h-1 m s-1

Più velocemente…

Ancora un esercizio: n. 43, pag. M24 Walker Le fibre nervose di tipo A del corpo umano possono condurre impulsi nervosi a una velocità fino a 140 m/s. A quale velocità viaggiano questi impulsi in miglia per ora ? Quanto spazio percorrono in metri questi impulsi in un tempo di 5 ms?

Ancora un esercizio: n. 43, pag. M24 Walker Le fibre nervose di tipo A del corpo umano possono condurre impulsi nervosi a una velocità fino a 140 m/s. A quale velocità viaggiano questi impulsi in miglia per ora ? Quanto spazio percorrono in metri questi impulsi in un tempo di 5 ms?

Stime di ordine di grandezza Stima approssimata a un fattore dell’ordine della decina A meno di un fattore dieci oppure ordine di grandezza Sempre da fare quando si esegue un sercizio

Esempio: temporale / gocce Durante un temporale cade 1 cm di pioggia, coprendo un’area di circa 108 m2. Quante gocce sono cadute ? Volume di pioggia caduta: 108 m2 x 10-2 m = 106 m3 Volume di una goccia (diametro 4 mm): 4/3 p R3 ~ 4x(2x10-3)3 ~ 30x10-9 ~ 10-8 m3 Numero di gocce ~ 106 / 10-8 ~ 1014

Teoria degli Errori Ogni misura sperimentale è affetta da un errore o, meglio, è soggetta a un certo grado di incertezza Parte integrande di una misura è la stima dell’errore sperimentale: Ad esempio, la massa di un corpo è data come M=(50±1) kg La teoria degli errori sarà argomento di una delle prossime esercitazioni