Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria C.d.L. Scienze e Tecnologie Agrarie, A.A. 2014/2015, Fisica

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2 Dr. Adrian MANESCU Tel , Dipartimento DISCO Sezione di Scienze Fisiche secondo piano

3 Orario delle lezioni: dal al giovedi: 11:00 13:00, aula Magna - venerdi: 09:00 11:00, aula Magna - 6 ore di esercitazioni + laboratorio Orario di ricevimento: - giovedi: 16:30 17:30 - venerdi: 11:00 12:00 - su appuntamento

4 Libro di testo: Fisica Generale: Principi e Applicazioni Giambattista, Richardson, Richardon, McGraw-Hill 2008 Fondamenti di Fisica Halliday, Resnick e Walzer CEA - sesta edizione Modalità d esame: Esame scritto 2 parziali (meccanica + fluidi&termodinamica): 3 domande di teoria non-quiz (5 punti x 3 = 15 punti): 15 min x 3 = 45 min 15 esercizi quiz (1 punto x 15 = 15 punti): 5 min x 15 = 75 min. Totale: 120 min Laboratorio didattico: orario, gruppi solo studenti del 1 anno relazione +1 / +2 punti all esame

5 Sessione straordinaria A.A. 2013/ Sessioni A.A. 2014/2015: Vacanze Natalizie dal al

6 Appelli 2015 Data Ora Aula Esame scritto - meccanica :00 Magna Esame scritto - fluidi e termodinamica :00 Magna Esame orale relazione laboratorio :00 Magna

7 Programma del corso: 1. Misurazioni. Unità di misura. Le forze. Legge I e III di Newton. Forza di gravità. Forza peso. Forza normale. Forza di attrito. Tensione dei fili. Forza elastica. Misurare le forze. 2. Posizione e spostamento. Velocità. Accelerazione. Legge II di Newton. Traiettoria. Moto rettilineo uniforme. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Caduta dei corpi. Il moto in due dimensioni. Il moto del proiettile. Il moto circolare. 3. Lavoro ed energia. Conservazione dell'energia meccanica. Forze non conservative. 4. Urti. Quantità di moto. Conservazione della quantità di moto. 5. Centro di massa. Equilibrio di un corpo rigido. Momento di una forza. Equilibrio di un punto materiale. Dinamica rotazionale (cenni).

8 6. Meccanica dei fluidi: definizione di fluido ideale. Proprietà dei fluidi. Definizione di pressione. Legge di Stevino. 7. Principio di Archimede. Legge di Pascal. Equazione di continuità. Equazione di Bernoulli. Fluidi reali (cenni). 8. Termodinamica: principio zero della termodinamica. Definizione di temperatura assoluta. Calore specifico. Capacità termica. Trasformazioni di stato. Calore latente di trasformazione. Sistema termodinamico. Gas perfetto. 9. Calore, lavoro ed energia interna. Primo principio della termodinamica. Trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni cicliche. Secondo principio della termodinamica. Entropia. 10. La macchina del clima. Irraggiamento. Elettromagnetismo. Microscopia (cenni).

9 Che cos'è la fisica? La Fisica (da φύσις [physis], "natura") è la scienza della Natura nel senso più ampio. Lo scopo della Fisica è descrivere e interpretare i fenomeni che si svolgono in natura. La Fisica è il campo della scienza che descrive materia, energia, spazio, tempo a livello più elementare. Es. Una pianta foglie molecole - atomi STA Fisica

10 Perché studiare fisica?

11 1. Perché è alla base di tutte le altre le scienze, è quella fondamentale La crescita di un albero biologia chimica fisica

12 2. Perché è la materia che ti insegna di più a pensare - tutte le materie ti insegnano a pensare - però la fisica lavora con i concetti di base, ha una struttura logica basata su esperimenti e osservazioni - ti offre pacchetti base di conoscenze che possono in seguito essere combinati e associati ad altre informazioni per arrivare ad un livello di conoscenze superiore - una volta appreso, troverete che questi metodi possono essere applicati tanti soggetti, compreso il mondo degli affari o anche la politica (Angela Merkel).

13 3. Perché ti aiuta a capire meglio gli oggetti ed i fenomeni L arcobaleno L'aspetto di un arcobaleno è provocato dalla dispersione ottica della luce solare che attraversa le gocce di pioggia rimaste in sospensione dopo un temporale. Il modo in cui viene rifratta la luce dipende dalla sua lunghezza d'onda, e quindi dal suo colore. La luce blu (onde più corte) viene rifratta ad un angolo più grande di quella rossa.

14 Rifrazione della luce nell'acqua. Il rettangolo scuro rappresenta la posizione vera della penna appoggiata nel bicchiere. Il rettangolo chiaro rappresenta la posizione apparente della penna.

15 I fulmini Il fulmine è una scarica elettrica di grandi dimensioni che avviene nell'atmosfera. scarica fra: - la nuvola e il suolo - 2 nuvole - 2 zone della stessa nuvola - la nuvola e un aereo

16 L aurora boreale Il fenomeno è causato dall'interazione di particelle cariche (elettroni) di origine solare (vento solare) con la ionosfera terrestre (atmosfera tra i km). Tali particelle eccitano gli atomi dell'atmosfera che diseccitandosi in seguito emettono luce di varie lunghezze d'onda.

17 Le scie degli aerei Cosa sono? ghiaccio!

18 Reattore nucleare per produrre energia elettrica

19 Spazio tra i binari dei treni - per far si che la dilatazione indotta dalle temperature estive possa avvenire lungo l'asse del binario stesso

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21 Tomografia computerizzata ( TAC ) - l'immagine del corpo da studiare viene creata misurando l'attenuazione di un fascio di raggi X che lo attraversa - varia in modo proporzionale alla densità elettronica dei tessuti attraversati

22 Risonanza magnetica nucleare ( RMN ) - in presenza di un campo magnetico esterno gli spin dei protoni presenti nei nuclei atomici tendono a disporsi lungo una direzione preferenziale. - vengono emesse delle onde radio e gli spin subiscono delle temporanee variazioni di posizione; gli atomi emettono dei segnali captabili da un rilevatore elettronico; - più bianca l immagine = più atomi di idrogeno = più molecole d acqua

23 Aneurisma Legge di Bernoulli: P + a v 2 = costante Un aneurisma è una dilatazione progressiva di un segmento di un'arteria, causata da un'anomalia della parete del vaso sanguigno. Equazione di continuità: S v = costante

24 4. Perché è una scienza molto creativa

25 L assorbimento dell acqua nelle piante l assorbimento di D 2 O in 5 min

26 Visualizzare la struttura interna del legno utilizzando microtomografia computerizzata ricostruzione 3D del legno

27 Ricostruzione della mummia di Champollion in VGStudio Max 2.0 tomografia a raggi X Atomi di Xe su Ni at 4 K D. Eigler, IBM Almaden Dimensioni dell atomo? 1.4 Angstrom = 1.4 * m

28 Le misure e le misurazioni: Cosa significa misurare? Confrontare ciò che si vuole misurare con una quantità nota, detta Unità di Misura Nella forma più generale, misurare significa contare.

29 Unità di Misura Ad ogni grandezza è associata una specifica unità di misura. Per esempio, una superficie si misura in metri quadri (m 2 ), un volume si misura in metri cubi (m 3 ) oppure in litri (l), una lunghezza in metri (m). Spesso è utile utilizzare i multipli o i sottomultipli di tali unità di misura, espressi come potenze del 10.

30 Multipli e sottomultipli Multipli Sottomultipli Deca (da) = 10 1 Etto (h) = 10 2 Kilo (k) = 10 3 Mega (M) = 10 6 Giga (G) = 10 9 Tera (T) = Peta (P) = Exa (E) = Zetta (Z) = Yotta (Y) = Deci (d) = 10-1 Centi (c) = 10-2 Milli (m) = 10-3 Micro (m) = 10-6 Nano (n) = 10-9 Pico (p) = Femto (f) = Atto (a) = Zepto (z) = Yocto (y) = 10-24

31 Equivalenze unidimensionali Le equivalenze tra unità omogenee unidimensionali si effettuano moltiplicando (se si passa a unità più piccola) o dividendo (se si passa a unità più grande) la misura tante volte per 10 quanti sono i posti tra le due unità, considerando la tabella precedente. Esempio: 32Gb a quanti Mb corrispondono? 32Gb = 32 x 1000Mb = 32000Mb Perché 1Gb = 1000Mb (infatti tra M e G ci sono 3 posti).

32 Equivalenze bidimensionali Le equivalenze tra unità omogenee bidimensionali si effettuano moltiplicando (se si passa a unità più piccola) o dividendo (se si passa a unità più grande) la misura tante volte per 10 2 (100) quanti sono i posti tra le due unità, considerando la tabella precedente. Esempio: 125 m 2 a quanti cm 2 corrispondono? 125 m 2 = 125 x 10 2 x 10 2 cm 2 = cm 2 Perché 1 m 2 = cm 2 (infatti tra m e cm ci sono 2 posti).

33 Equivalenze tridimensionali Le equivalenze tra unità omogenee tridimensionali si effettuano moltiplicando (se si passa a unità più piccola) o dividendo (se si passa a unità più grande) la misura tante volte per 10 3 (1000) quanti sono i posti tra le due unità, considerando la tabella precedente. Esempio: 5400 dm 3 a quanti m 3 corrispondono? 5400 dm 3 = 5400 x 10-3 m 3 = 5.4 m 3 Perché 1 dm 3 = 10-3 m 3 (infatti tra dm e m c è un solo posto).

34 Quanti litri d acqua sono nella vasca? lunghezza 2 m larghezza 60 cm altezza 50 cm

35 Volumi espressi in litri Spesso risulta utile esprimere i volumi in multipli o sottomultipli del litro, piuttosto che in multipli o sottomultipli del metro cubo. Si pensi, ad esempio, ai volumi di cilindrata dei motori, espressi in litri. L equivalenza di base è la seguente: Quindi 1 litro = 1 dm 3 1 m 3 = 10 3 dm 3 = 10 3 litri = 1000 litri

36 Misure - problematiche Misure diverse della stessa grandezza devono essere compatibili e convertibili Problema di gestione di dati provenienti da misurazioni effettuate con unità diverse e poco convertibili Necessità di un unico sistema di unità di misure

37 UNITÀ DI MISURA FONDAMENTALI Grandezza Nome dell unità di misura Simbolo Lunghezza metro m Tempo secondo s Massa chilogrammo kg Temperatura assoluta kelvin K Quantità di sostanza mole mol Intensità di corrente ampere A Intensità luminosa candela cd

38 Il sistema CGS: Esiste anche il sistema CGS formato dalle prime tre grandezze del SI: lunghezza (cm), massa (g), tempo (s). Sistema C(entimetro)G(rammo)S(econdo). 1 m = 100 cm 1 kg = 1000 g Sistema britannico: 1 in (pollice) = 2.54 cm 1 ft (piede) = 12 in = cm 1 mi (miglio) = km = m

39 Il sistema tecnico (o pratico) ST: Altro sistema di unità di misura molto usato è il Sistema Tecnico (o Pratico). Le grandezze fondamentali utilizzate sono : lunghezza [L] unità di misura il metro (m ) tempo [T] unità di misura il secondo (s) temperatura [θ] unità di misura il grado centigrado ( C) forza [F] unità di misura il chilogrammo forza (kgf)

40 Cambiare unità di misura: km 1km 1000m 1000m 1000m 1 m 1 h 1h 60min 60 60s 3600s 3.6 s m = 3.4 * 10 4 m = 34 km 1 cm = 10-2 m m s 1 litro = 1 dm 3 = 10-3 m 3 1ms = 10-3 s 1MPa = 10 6 Pa

41 Il Metro Scelto come unità di misura alla fine del 1700, definito come la quarantamilionesima parte del meridiano terrestre. Il campione del metro è stato costruito tracciando due incisioni su una barra di platino e iridio, conservata al Museo dei Pesi e delle Misure di Sévres (Parigi). Dal 1983 il metro è stato ridefinito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/ esimo di secondo, quasi un trecentomilionesimo di secondo.

42 Il Kilogrammo Si chiama kilogrammo la massa di un cilindro costituito da una lega di platino e iridio che misura 39 mm in altezza e 39 mm in diametro. Anch esso, come nel caso del metro, si trova al Museo dei Pesi e delle Misure di Sévres, a Parigi. Esiste la copia n 62 del kilogrammo campione anche in Italia, presso l Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti, a Torino.

43 Il Secondo Il secondo è una frazione del giorno solare medio. In particolare esso è l esima parte del giorno solare medio. Data la variabilità del giorno solare medio, oggi il campione di tempo corrisponde al tempo di oscillazioni delle onde emesse dal Cesio 133 in una particolare transizione atomica.

44 Il Kelvin E la centesima parte della distanza termica tra il punto triplo dell acqua distillata (ghiaccio fondente) e il punto di ebollizione della stessa. Esso possiede la stessa ampiezza del grado Celsius (o centigrado). La scala Kelvin presenta lo zero assoluto, temperatura minima limite e non raggiungibile in natura.

45 L Ampere L Ampere è l intensità di corrente elettrica che circola in un conduttore quando, per una sezione di esso, passa la carica di 1 Coulomb ogni secondo.

46 La Mole La mole viene definita come la quantità di sostanza di un sistema che contiene un numero di entità elementari (atomi, molecole, ioni, radicali, elettroni, fotoni, ecc.) pari al numero di atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12. Tale numero è noto come Numero di Avogadro, ed è pari a

47 La Candela Una candela è pari all intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente emettente una radiazione monocromatica di frequenza pari a hertz (Hz) e di intensità radiante in quella direzione di 1/683-esimo di watt per steradiante.

48 Grandezze Fondamentali e derivate Le sette grandezze appartenenti al SI si chiamano Grandezze Fondamentali. Da esse è possibile ricavare nuove grandezze, dette grandezze derivate, attraverso le classiche quattro operazioni matematiche, ma solo sotto opportune condizioni.

49 Alcune grandezze derivate Velocità (m/s) Accelerazione (m/s 2 ) Densità (kg/m 3 ) Forza (N = kg m/s 2 ) N sta per Newton Energia (J = N m) J sta per Joule Potenza (W = J/s) W sta per Watt Carica elettrica (C = A s) C sta per Coulomb

50 Operazioni tra grandezze Due o più grandezze, sia fondamentali che derivate, si possono sommare e/o sottrarre solo se sono omogenee, ossia uguali in tutto e per tutto (lo stesso vale per gli operatori di confronto >, <, =). Due o più grandezze, sia fondamentali che derivate, si possono moltiplicare e/o dividere anche se non sono omogenee.

51 Esempi di operazioni 3 m + 7 m = 10 m 10 s 5 m non ha senso! 42 m 2 s = 21 m/s 12 m/s 6 s = 2 m/s 2 15 m/s m/s non ha senso! 0.8 m 0.2 m = 0.16 m 2

52 Strumenti di misura Gli strumenti di misura sono oggetti che ci permettono, più o meno facilmente, di confrontare la misura di una certa grandezza con l unità di misura di riferimento. Essi devono avere quattro caratteristiche fondamentali: 1. Portata 2. Sensibilità 3. Precisione 4. Prontezza

53 La Portata La portata di uno strumento di misura indica la misura massima che lo strumento è in grado di effettuare. Per esempio, una bilancia dalla portata di 5 kg non è in grado di misurare la massa di un essere umano adulto, evidentemente maggiore di 5 kg.

54 La Sensibilità La sensibilità di uno strumento di misura indica la misura più piccola che lo strumento riesce a rivelare. Per esempio, una bilancia la cui sensibilità è di 0.1 kg non è adatta a misurazioni di precisione, per esempio di piccolissime quantità di metalli preziosi.

55 La Precisione La precisione di uno strumento di misura indica il grado di accuratezza della misura effettuata. La precisione è un parametro che indica il discostamento della misura rivelata rispetto a quella reale. Uno strumento di misura sofisticato è spesso più preciso di uno rudimentale.

56 La Prontezza La prontezza di uno strumento di misura indica il tempo impiegato dallo strumento a rivelare la misurazione. Strumenti come cronometri ad altissima precisione hanno bisogno ovviamente di una prontezza molto elevata. La prontezza non è importante quando si eseguono misurazioni grossolane con margini di errore elevati.

57 Altre proprietà degli strumenti di misura Strumenti analogici Sono quelli in cui la misura rivelata la si legge attraverso una apposita scala graduata (es. il metro del falegname oppure gli strumenti ad ago come gli amperometri analogici). Strumenti digitali Sono quelli in cui la misura rivelata la si legge sotto forma di cifre (es. strumenti con schermi a cristalli liquidi, ecc.). La parola digitale deriva dall inglese digit, che significa cifra.

58 Alcuni strumenti analogici Metro a nastro Orologio a lancette Voltmetro ad ago

59 Alcuni strumenti digitali Metro a ultrasuono Orologio al quarzo Voltmetro elettronico

60 Misure dirette e indirette Misure dirette Sono quelle misure che vengono rivelate direttamente da uno strumento di misura. Sono misure dirette quelle di lunghezze, tempi, masse, ecc. Misure indirette Sono quelle misure che risultano dopo opportuni calcoli matematici. Sono misure indirette quelle di superfici, di volumi, di accelerazioni, ecc.

61 Esempi: - misure dirette: a) lunghezza di un'asta -> il metro b) durata di un fenomeno fisico -> cronometro - misure indirette: a) pressione atmosferica misurata attraverso la lunghezza di una colonnina di mercurio b) temperatura di un ambiente misurata attraverso la resistenza di un componente elettronico. bilancia dinamometro