LABORATORIO DI FISICA I M - Z

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1 DIPARTIMENTO DI FISICA ED ASTRONOMIA Corso di laurea in Fisica Anno accademico 2016/ anno LABORATORIO DI FISICA I M - Z FIS/01-12 CFU - 2 semestre Docente titolare dell'insegnamento CRISTINA NATALINA TUVE' cristina.tuve@ct.infn.it Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia, via Santa Sofia 64, Catania, Italy Telefono: Orario ricevimento: per appuntamento OBIETTIVI FORMATIVI Il corso è il primo insegnamento di Laboratorio e di Statistica che gli studenti frequentano dopo l'iscrizione al corso di Studi in Fisica, esso è suddiviso in lezioni frontali e in esercitazioni di laboratorio. Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti le basi per l'apprendimento del metodo sperimentale e delle tecniche di analisi dei dati sperimentali. Ciò è possibile in quanto il numero di ore che lo studente frequenta il laboratorio è di 90 ore. Durante l'esecuzione delle esperienze lo studente è seguito dal docente e da un tutor. Inoltre, la presenza costante del tecnico di laboratorio rende le esperienze sempre fruibili e gli strumenti sempre funzionanti. Alla fine del percorso di insegnamento lo studente dovrebbe essere in grado di effettuare misure di grandezze fisiche e presentarne i risultati in modo scientificamente corretto PREREQUISITI RICHIESTI Conoscenze di base di Matematica (elementi di analisi) e di Meccanica classica. FREQUENZA LEZIONI La frequenza in laboratorio è obbligatoria. L assenza ingiustificata a piu del 25% delle esercitazioni di laboratorio escludera lo studente dall accreditamento dei cfu relativi. CONTENUTI DEL CORSO Il corso è di 12 crediti. 132 ore di didattica tra lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio. In particolare sono previste 42 ore di lezione in aula e 90 ore di esercitazioni guidate in laboratorio.

2 Analisi dei dati sperimentali (22 ore frontali): - Il Metodo Scientifico. - La misura delle grandezze fisiche. Definizione (operativa) di grandezza e sua misura. Grandezze fondamentali e derivate. Unità di misura e sistemi di unità di misura: Il sistema internazionale. - Presentazione delle misure e cifre significative. Leggere una formula e verificarne la sua correttezza (analisi dimensionale) - Caratteristiche di uno strumento di misura - Errori e/o incertezze. Errori sistematici e casuali. - L'errore totale nelle misurazioni, errore relativo, grado di precisione. - Misure singole e/o multiple. La migliore stima dell'errore (moda, mediana e media) - Scarti, scarto quadratico medio, deviazione standard della popolazione, del campione e della media. - Propagazione degli errori. - Rappresentazione dei dati: tabelle, istogrammi e grafici. - Istogrammi: dal discreto alla distribuzione limite. - La distribuzione di Gauss come distribuzione limite per misure affette da errori casuali. - La misura di una grandezza fisica influenzata da fenomeni casuali e stima del valore atteso. - Misura in termini probabilistici. - Cenni su teoria delle probabilità. - Il criterio di massima verosimiglianza. - Distribuzioni di probabilità: Gaussiana, Binomiale, di Poisson. - Test del chi-quadro. - Grafici e relazioni funzionali - Descrizione delle esperienze di laboratorio Cenni di Statistica (20 ore frontali): - Eventi casuali,variabili aleatorie- Definizione classica, frequentista e assiomatica di probabilita - probabilita totale, probabilita condizionata,probabilita composta - Teorema di Bayes -convergenza statistica - indipendenza statistica e covarianza - Popolazione statistica - campionamento - legge dei grandi numeri - speranza matematica per variabili casuali discrete e continue - densita di probabilita - momenti - funzioni generatrici dei momenti e funzione caratteristica distribuzione di Bernoulli distribuzione di Poisson distribuzione di Gauss distribuzione di Student distribuzione χ2 teorema del limite centrale Indici statistici e loro stime campionarie Esperienze di laboratorio (90 ore ): Dinamica del punto materiale e del corpo rigido Misure di lunghezze: nonio, calibro, palmer Piano inclinato Dispositivo di Fletcher Macchina di Atwood Pendolo semplice Pendolo composto, pendolo reversibile di Kater Pendolo sferico, sferometro Pendolo su arco Pendolo di torsione Ago di Maxwell Molle Momento d'inerzia di un volano Energia cinetica di rotazione. Meccanica dei continui deformabili Picnometro Bilancia di Mohr-Westphal Viscosimetro di Ostwald - Stalagmometro Tensiometro Tubo di Venturi Sedimentazione. Termodinamica Calorimetro delle mescolanze di Regnault Propagazione del calore in una sbarra omogenea -Equazione

3 di stato del gas perfetto Esperienza di Desormes e Clement Tubo di Kundt Verifica delle distribuzione di probabilità Macchina di Galton TESTI DI RIFERIMENTO TESTI CONSIGLIATI per l'analisi dei dati e la statistica J.R. Taylor: INTRODUZIONE ALL'ANALISI DEGLI ERRORI - LO STUDIO DELLE INCERTEZZE NELLE MISURE FISICHE, Zanichelli M. Loreti: Teoria degli Errori e Fondamenti di Statistica, Decibel, Padova slides delle lezioni TESTI CONSIGLIATI per la descrizione degli strumenti ed esperimenti R. Ricamo: Guida alle Esperimentazioni di Fisica Ed. Ambrosiana, Milano E. Perucca: Fisica Generale e Sperimentale UTET, Torino F.Tyler: A Laboratory Manual of Physics E.Arnould, London slides delle lezioni PROGRAMMAZIONE DEL CORSO Argomenti 1 tutti gli argomenti trattati Riferimenti testi Taylor e Loreti 2 Piano inclinato Ricamo 6.2 p. 89; Perucca ~ pp. 192, 214, 219, 224, 263, Dispositivo di Fletcher 4 Macchina di Atwood Ricamo ~ 6.2 p. 90; Perucca ~ pp. 225, 265 Ricamo ~ 6.2 p. 90 ; Perucca ~ pp. 224, 277, 308, Pendolo semplice Ricamo ~ 6.3 p. 100; Perucca ~ pp. 193, 275; Tyler ~ p Pendolo fisico piano (o pendolo composto) 7 Pendolo sferico e su arco Ricamo ~ 6.3 p. 99; Perucca ~ p. 313; Tyler ~ p. 24 Ricamo ~ 6.6 p. 110; Tyler ~ p Sferometro Ricamo ~ 3.2 p. 35; Perucca ~ p. 45; Tyler ~ p Pendolo di torsione Ricamo ~ 5.8 p. 82; Tyler ~ p. 42

4 10 Ago di Maxwell Tyler ~ p. (44), [34] 11 Molle Ricamo ~ 5.1 p. 69; 6.9 p. 122; Perucca ~ pp. 38, 391, 378, 384; Tyler ~ p Momento d inerzia di un volano 13 Energia cinetica di rotazione 14 Quinconce di Galton 15 Calorimetro delle mescolanze di Regnault 16 Propagazione del calore in una sbarra omogenea Ricamo ~ 6.7 p. 113 Perucca ~ p. 307 Tyler ~ p. 34 Perucca ~ p. 309; Tyler ~ p. 32 Giornale di Fisica XIX (1978), p. 54; Ricamo ~ 8.10 p. 167; Perucca ~ p. 659 Perucca ~ p Picnometro Ricamo ~ 4.8 p. 60; Perucca ~ pp. 86, 88; Tyler ~ p Bilancia di Mohr- Westphal Ricamo ~ 4.9 p. 62 Perucca ~ p Sedimentazione Ricamo ~ 7.15 p. 150 Perucca ~ p. 493 Tyler ~ p Viscosimetro di Ostwald 21 Tensione superficiale Ricamo ~ 7.12 p. 146 Perucca ~ pp. 374, 486 Ricamo ~ 7.6 p. 133 Perucca ~ pp. 436, 451 Tyler ~ p Tubo di Venturi Ricamo ~ 7.8 p. 136 Perucca ~ pp. 474, Verifica delle leggi dei gas 24 Esperienza di Clement-Desormes Ricamo ~ 8.7 p. 163; 8.8 p. 164 Perucca ~ pp. 616, 618, 644 Perucca ~ p. 704 Tyler ~ p Tubo di Kundt Ricamo ~ 9.2 p. 180; Perucca ~ pp. 522, 579, 705 Tyler ~ p. 110 MATERIALE DIDATTICO Gruppo chiuso Facebook del corso M-Z: Laboratorio di fisica 1 (M-Z) AA Gruppo chiuso Facebook per i corsi A-L e M-Z: Laboratorio di Fisica I AA

5 VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Gli studenti saranno divisi in gruppi ( max 4 persone), ciascuno dei quali sarà impegnato su 4 esperienze di laboratorio secondo un calendario che verrà reso disponibile entro il mese di dicembre. Ogni gruppo potrà scegliere un esperienza (A s ) dalla tabella A e un esperienza (B s ) dalla tabella B, avendo cura di fare scelte diverse da quelle degli altri gruppi. Nel caso in cui non si raggiungesse un accordo, sarà il docente a dirimere le controversie. Le rimanenti due esperienze (A 1, A 2 ) saranno assegnate dall insegnante, prendendole dalla tabella A. Ogni gruppo avrà tempo di acquisire i dati relativi alla sua esperienza a scelta A s entro la fine del primo periodo didattico (fine gennaio). Prima dell inizio del secondo periodo didattico (primi di marzo) dovrà consegnare una relazione (unica per il gruppo) su detta esperienza A s. Tali relazioni verranno corrette e discusse con gli studenti, che riceveranno tutte le indicazioni e i suggerimenti richiesti anche nella fase di acquisizione ed elaborazione dei dati. Questa relazione non riceverà una valutazione ai fini dell esame Durante il secondo periodo didattico, gli studenti saranno impegnati sulle altre tre esperienze, secondo il calendario che sarà loro fornito. In questa fase le indicazioni dell insegnante riguarderanno solo questioni generali; ogni gruppo dovrà lavorare autonomamente, facendo tesoro di quanto appreso già con la prima esperienza. La prova finale, alla quale si è ammessi se sono stati assolti gli obblighi di frequenza, è composta da una prova pratica e una prova orale Per potere sostenere l esame, ogni studente dovrà consegnare una relazione individuale relativa all esperienza a scelta B s, nella quale l analisi dei dati sarà limitata alle sole considerazioni riguardanti le incertezze nelle misure dirette e indirette. Alla relazione non sarà assegnato un voto, ma nel caso che non venga ritenuta sufficiente dovrà essere discussa con il docente ed eventualmente ripresentata prima di poter sostenere l esame; verrà inoltre tenuta in considerazione ai fini dell eventuale assegnazione della lode. Lo studente per conto proprio sosterrà una prova pratica di laboratorio su un esperienza sorteggiata tra le due (A 1 o A 2 ) assegnate dal docente al suo gruppo. Su tale esperienza consegnerà una relazione con un analisi dei dati completa, che verrà discussa durante il successivo esame orale. La prova orale consiste nella discussione della relazione e nella discussione teorico-pratica degli argomenti di laboratorio svolti durante l'anno. Tabella A Piano inclinato Dispositivo di Fletcher Macchina di Atwood Pendolo semplice (piccole oscillazioni) Pendolo semplice (grandi oscillazioni) Pendolo fisico piano

6 Pendolo sferico e su arco Pendolo di torsione Ago di Maxwell Oscillazioni di una molla Momento d inerzia di un volano Energia cinetica di rotazione Tabella B Pendolo reversibile di Kater Calorimetro delle mescolanze di Regnault Propagazione del calore in una sbarra omogenea Picnometro Bilancia di Mohr-Westphal Sedimentazione Viscosimetro di Ostwald Tensione superficiale Tubo di Venturi Verifica delle leggi dei gas Esperienza di Clement-Desormes Tubo di Kundt DATE DEGLI APPELLI Date di esame: 7 febbraio 28 Febbraio 27 Giugno 18 Luglio 12 Settembre 26 Settembre Per appello straordinario per fuori corso e ripetenti : 21 Marzo PROVE DI FINE CORSO -vengono discussi gli argomenti del corso, per verificare la capacità di comprendere e collegare i vari argomenti trattati durante le lezioni; -viene discussa la relazione di laboratorio per verificare la comprensione delle problematiche sperimentali e l'acquisita capacità di realizzare semplici esperienze di fisica classica allo scopo di accertare il raggiungimento degli obiettivi formativi.