Fisica generale I. Prof. Giulia Ricciardi.

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1 Fisica generale I LT (DAP-IER) - Ingegneria Elettrica - Ingegneria Navale - Ingegneria Chimica - Scienza e Ingegneria dei Materiali - Ingegneria Gestionale della Logistica e Produzione Prof. Giulia Ricciardi giulia.ricciardi2@unina.it Studio dip. Fisica E. Pancini 2Ma06 MSA Ricevimento: marted previa prenotazione programma: meccanica e termodinamica Dettagli programma, testi e avvisi sul sito del docente a

2 Il termine "fisica" deriva dal neutro plurale latino physica, a sua volta derivante dal greco "natura", ovvero "le cose naturali". Metodo scientifico Osservazione scientifica dei fenomeni della natura Galileo Galilei (Pisa, 15 febbraio 1564 Arcetri, 8 gennaio 1642)

3 Metodo scientifico Osservazione-schematizzazione- Quantificazione: Misura -Definizione operativa delle grandezze fisiche Formulazione legge fisica (ipotesi)

4 Definizioni operative di grandezze fisiche Quantificazione grandezze fisiche: misura (riproducibilità) Misura diretta: mediante confronto tra grandezze omogenee -criterio di confronto -criterio di somma -scelta unità di misura e del campione Esempio: lunghezza

5 METROLOGIA Disciplina riguardante le questioni inerenti alla misurazione delle grandezze fisiche, alla scelta delle grandezze fisiche fondamentali e dei sistemi di unità di misura. Nel 1875 diciassette paesi, tra cui l Italia, siglano a Parigi un trattato internazionale che pone le basi del Sistema Internazionale delle unità di misure. Il passo successivo è costituito dal sorgere di istituti metrologici nazionali in questi stessi paesi L'INRIM è un ente pubblico di ricerca scientifica fondato nel 2006 e sito a Torino, che svolge per l'italia le funzioni di istituto metrologico nazionale, costituendo il presidio di gran parte della metrologia, la scienza delle misure.

6 Il SI è indicato anche come sistema metrico decimale, sistema MKS (in quanto comprendeva solo le unità metro, chilogrammo e secondo) metrologia Altri sistemi unità di misura: Gaussiano (sistema centimetro-grammo-secondo (CGS) ), Sistema britannico (utilizzato ufficialmente nel Regno Unito fino al 1965):

7 Il campione di lunghezza Fino al 1960 il metro campione era la lunghezza di una barra di platino-iridio depositato all Ufficio Internazionale di pesi e misure (BIPM=CGPM) Iridio: metallo rarissimo resistente alla corrosione, inalterato alle alte temperature; fragile, difficile da modellare Platino: meno resistente agenti chimici, duttile e malleabile Depositata nel 1799 (dopo Rivoluzione francese, Illuminismo, sistema di misura basato su unità universali), sospesa a 0 gradi distanza polo Nord-equatore lungo meridiano Parigi: 1/ della parte di meridiano terrestre (passante per Parigi) tra il polo Nord e l equatore (ovvero 10-7 del quarto di circonferenza del meridiano terrestre) Accurate copie agli istituti metrologici nazionali

8 Il campione di lunghezza una barra metallica si modifica con il tempo; inoltre, le sue copie non sono mai perfettamente identiche all originale. Le esigenze della scienza e della tecnica richiedevano una specificazione molto più precisa e affidabile per l unità di misura delle lunghezze Nel 1983 Michelson misura la lunghezza del metro campione confrontandola con la lunghezza d onda della radiazione emessa dagli atomi di Cadmio Dopo il 1960, il campione metro diventa un campione ottico, una lunghezza d onda Il metro è la lunghezza uguale a ,73 lunghezze d onda in vuoto della radiazione corrispondente alla transizione tra i livelli 2p 10 e 5d 5 ell atomo di kripton 86

9 OGGI Per definire il metro si usano i progressi nella misurazione della velocità della luce QUINDI per definire il metro si utilizza oggi una proprietà fisica che non cambia né passando da un luogo all altro, né col trascorrere del tempo. Questa proprietà è la velocità della luce nel vuoto (indicata con il simbolo c).

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11 Campione di tempo Misura del tempo: fenomeni periodici Es. battito cuore Movimento pendolo Rotazione terra intorno asse 1s = 1/86400 giorno = 1/(24x60x60) giorno SVANTAGGI: il giorno solare medio non è rigorosamente costante nel tempo, ma aumenta di qualche centesimo di secondo ogni anno, perché i moti della Terra non avvengono a velocità costante. Ad esempio: Le onde di marea,, dovuti principalmente all attrazione lunare, sono causa di rallentamento della rotazione terrestre. I rigonfiamenti mareali incontrando l'ostacolo rappresentato dai continenti, esercitano un attrito che provoca la riduzione della velocità di rotazione terrestre: la durata del giorno aumenta di circa un secondo ogni centomila anni

12 CERCHIAMO UN ALTRO FENOMENO PERIODICO Certi cristalli, tra cui quelli di quarzo, entrano in vibrazione se sono sottoposti a differenze di potenziale alternate. I cristalli potevano essere usati per produrre vibrazioni stabili, cioè potevano servire da orologi! Orologi al quarzo: Il primo vero e proprio orologio al quarzo fu costruito negli Stati Uniti nel 1929 ai Bell Telephone Laboratories e dieci anni dopo un esemplare perfezionato fu installato nell osservatorio di Greenwich batteria Materiale piezoelettrico Regolazione oscillazione

13 Negli anni 50 venivano avviate in diversi laboratori ricerche per la realizzazione di oscillatori ancora più stabili basati su fenomeni atomici. della meccanica quantistica L atomo di una qualsiasi sostanza può assumere un certo numero caratteristici dell'elemento al quale esso appartiene. di stati eccitati ben determinati, Passando da un livello di energia ad un altro, corrispondenti a ciascuno di questi stati, I atomo cede energia quando passa ad un livello inferiore e, al contrario, ne assorbe quando passa al livello superiore. Frequenza di oscillazione tra due livelli estremamente stabile

14 OROLOGI ATOMICI Questo cambiamento di livello o transizione dà luogo all'emissione o all'assorbimento di una radiazione elettromagnetica, la cui frequenza è direttamente proporzionale alla quantità di energia ed è determinabile con grande precisione. Tecnicamente si sono rivelati molto adatti a essere utilizzati come "oscillatori" gli atomi di idrogeno, rubidio e cesio. Orologi al quarzo: qualche secondo all anno Orologio atomico: qualche secondo ogni milione di anni Dal a Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure "Il secondo è l'intervallo di tempo che permette a una specifica radiazione (transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale) dell' isotopo di un particolare atomo (cesio 133) di effettuare oscillazioni.

15 Campione di massa il prototipo internazionale è stato costruito nel Dal 1901 al 2019 Il prototipo internazionale è stato un cilindro di altezza eguale al diametro (cilindro di minima superficie totale a parità di volume) di platino-iridio conservato insieme con sei copie, che sono i "testimoni", nei sotterranei del BIPM, al riparo da contaminazioni e manipolato con cura estrema. l kilogrammo contiene il prefisso «kilo», che indica una moltiplicazione per 1000, anche se è un unità fondamentale

16 La definizione del Kg peso in questo modo presenta però due gravi inconvenienti. Poiché è estremamente importante che il campione non subisca alterazioni, accedervi è complesso e le tarature vengo fatte quasi sempre su copie del campione. Inoltre, a dispetto di tutte le cautele con cui è conservato, nei 127 anni della sua esistenza la massa del campione è variata di circa 50 microgrammi mentre dovrebbe per definizione essere stabile. Finora il Kg l unica unità di misura basata su un campione, ma cambierà a maggio prossimo Si userà una definizione che fa riferimento a una quantità della meccanica quantistica che si sa essere costante, la costante di Planck h Questa costante associa la frequenza di una particella quantistica alla sua energia, che a sua volta può essere correlata alla massa attraverso la formula E = mc 2 della teoria della relatività di Einstein.

17 nuovo Sistema Internazionale delle unità di misura (Si) approvato il 16 novembre 2018 dalla 26/a Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (Cgpm). Entra in vigore il 20 maggio, giornata mondiale della metrologia Lega tutte le 7 grandezze fondamentali a costanti fisici e non più a campioni

18 Quantità di sostanza I chimici misurano il numero di atomi e molecole in moli. Definizione di mole Una grandezza fisica, inserita nell elenco delle sette grandezze fisiche fondamentali del SI: la quantità di sostanza, la cui unità di misura è la mole (mol). Mole: quantità di sostanza che contiene tante unità elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni, gruppi di tali particelle.., da definirsi di volta in volta a seconda del tipo di sostanza) quanti sono gli atomi contenuti in 12 g esatti di carbonio-12 (pari al numero ( o costante) di Avogadro))

19 NUOVA DEFINIZIONE slegata da Kg di Carbonio-12. una mole sarà "un numero di entità uguale al numero di Avogadro» che poi è ciò di cui si è sempre trattato.

20 Per riassumere dal 30 maggio 2019 la nuova definizione delle «vecchie» unità di misura sarà in termini di costanti fondamentali : il metro in termini di velocità della luce (c) il secondo in termini di frequenza della transizione iperfine dell atomo di cesio (Δν) il chilogrammo in termini di costante di Planck (h) la mole in termini di costante di Avogadro (N A ) il kelvin (misura della temperatura, che studieremo la prossima volta) in termini di costante di Boltzmann (k) Ci sono altre 2 unità di base, che non incontreremo nel corso, cioè la candela, misura della intensità luminosa, definita in termini di efficacia luminosa (K cd ) e l ampere, misura della intensità di corrente, definita in termini di carica elementare (e),

21 Dalle grandezze fisiche fondamentali a quelle derivate: Misure indirette Attraverso relazioni fisiche matematiche (formule) esempio Esempio: angolo = porzione piano compresa tra due semirette origine comune Si misura in gradi oppure in radianti (unità di misura derivata)

22 L angolo è una grandezza fisica adimensionale (numero puro) Qualunque equazione fisica è dimensionalmente omogenea Esempio> pendolo semplice, grandezze fisiche caratterizzanti l e m e accelerazione di gravità g = [l t -2 ] Indipendente dalla massa!

23 Misura e precisione Quando in laboratorio effettuiamo una misura, essa è condizionata dai limiti dello strumento di misura che abbiamo utilizzato. Ogni strumento di misura è caratterizzato da una propria sensibilità, definita come la minima differenza che lo strumento è in grado di distinguere tra due misure della grandezza. Se la le lettura della misura viene effettuata su una scala graduata, la sensibilità è pari alla differenza fra due valori contigui della scala.

24 Errori sperimentali Aumentando la sensibilità degli strumenti, e ripetendo le misure posso non trovare lo stesso risultato si definiscono sistematici gli errori dovuti a una errata taratura di uno strumento oppure al suo uso improprio. Possono in genere essere eliminati tutti gli altri errori sono casuali, cioè si distribuiscono in ugual modo sia in eccesso che in difetto rispetto al valore vero della misura non possono essere eliminati ogni misura è inevitabilmente accompagnata da un errore sperimentale

25 Cifre significative

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27 arrotondamento

28 Solo dopo l ultimo passaggio algebrico si arrotonda il risultato al numero di cifre significative corretto.