La Misura. Le attività del metodo sperimentale

Transcript

1 La Misura Le attività del metodo sperimentale Le attività del metodo sperimentale si possono individuare nei seguenti punti Osservazione fenomeno Scelta delle grandezze Formulazione delle ipotesi Esperimento per la verifica delle ipotesi Formulazione della legge Il processo di misura procede attraverso le tappe precedentemente indicate ed implica anche la possibilità di tornare sui propri passi quando l ipotesi dovesse non essere confermata dall esperimento. Il FEEDBACK è uno dei pilastri del ragionamento in generale 1/13

2 Definizione operativa di una grandezza fisica Una grandezza fisica è definita e nota quando si conoscono le procedure di misura Tutto ciò che è suscettibile di una determinazione quantitativa, cioè che può essere misurato, è una grandezza fisica. Per definire le grandezze è necessario stabilire come si misurano e con quali dispositivi. Non è necessario preoccuparsi di definire la natura delle grandezze, ma solo di trovare metodi operativi per realizzare le unità in modo da confrontarle con grandezze da misurare. Caratteristiche di una unità di misura Ogni misura viene effettuata per mezzo del confronto fra coppie di grandezze omogenee. Ogni unità dovrà avere due importanti caratteristiche: deve restare costante nel tempo, in modo che ogni misurazione dia sempre lo stesso risultato, se ripetuta; deve essere facilmente riprodotta, in modo da essere utilizzata ogni qualvolta si rende necessario il suo uso. N.B. La misura di una grandezza fisica può richiedere la valutazione di più grandezze fisiche con le quali calcolare la grandezza voluta 2/13

3 Lunghezza - Metro quarantamilionesima parte del meridiano terrestre, più precisamente la decimilionesima parte della distanza fra il polo della Terra e l'equatore lungo il meridiano passante per Parigi (1700) lunghezza di una sbarra di platino-irídío (1889) lunghezza che è uguale a ,73 lunghezze d'onda nel vuoto della riga rosso arancio del kripton 86 (1960) distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un esimo di secondo. (1983) Massa - kilogrammo L unitá di misura, detta kilogrammo, è uguale alla massa del campione di platino-iridio conservato a Sèvres, il quale corrisponde alla massa di un dm di acqua distillata alla pressione 3 normale di un'atmosfera e alla temperatura di 4 'C. 3/13

4 Tempo - secondo I fisici, oggi, coerentemente con la definizione operativa delle grandezze, non si preoccupano di rispondere alla domanda "Che cos'è il tempo?", ma piuttosto di misurarlo il secondo (simbolo s) è la esíma parte del giorno solare medio, cioè della media sulla base di un anno del giorno solare, inteso come intervallo di tempo che intercorre tra due successivi passaggi del Sole sullo stesso meridiano. Il numero deriva dal fatto che un giorno solare medio è formato da 24 ore, ciascuna ora da 60 minuti e ciascun minuto da 60 secondi 4/13

5 Grandezze fondamentali e grandezze derivate Scegliere per ogni grandezza fisica un campione come unità di misura indipendentemente dalle altre unità? SCONVENIENTE! E possibile esprimere le grandezze in funzione di alcune di esse mediante una relazione analitica Le loro unità di misura sono stabilite dalla scelta di campioni, mentre le unità delle altre grandezze, chiamate derivate, si deducono poi dalle unità di quelle fondamentali. Caratteristica essenziale delle grandezze fondamentali è che per mezzo di esse si possono esprimere con semplicità operativa tutte le altre. Fissare le grandezze fondamentali e i loro campioni unitari vuol dire fissare un sistema di misura. Sistemi di unità di misura Quante sono le grandezze fondamentali e derivate di un sistema di unità di misura? Grandezze fisiche: G Grandezze fisiche fondamentali: G f Grandezze fisiche derivate: G d G d =G-G f 5/13

6 Sistemi di misura MKS e CGS I principali sistemi di misura adoperati in meccanica sono il sistema MKS o Gíorgí e il sistema CGS. Nel sistema MKS le grandezze fondamentali sono lunghezza, massa, tempo, e le unità di misura corrispondenti metro, kilogrammo, secondo Nel sistema CGS le grandezze fondamentali sono ancora lunghezza, massa e tempo, mentre i campioni sono il centimetro, definito come la centesima parte del metro, il grammo, uguale alla millesima parte del kilogrammo, e il secondo. I due sistemi MKS e CGS si chiamano assoluti per il fatto che le unità fondamentali presentano convenzionalmente sempre lo stesso valore, qualunque sia il luogo in cui esse vengono prese in considerazione: un corpo che ha la massa di un kilogrammo sulla Terra, ha la stessa massa anche sulla Luna! 6/13

7 Sistema internazionale Quando dallo studio dei fenomeni meccanici si passa a quello degli GRANDEZZA lunghezza UNITA metro altri fenomeni fisici è necessario introdurre, oltre alle unità meccaniche, altre unità fondamentali. Il Sistema Internazionale è una estensione dell MKS Unità di misura anglosassoni MKS e CGS sistemi metrico decimali, sorto in Francia durante l'epoca napoleonica (1795) Nei paesi anglosassoni è usato ancora oggi il sistema britannico: per la lunghezza: la yarda (yd) 91,44 cm per la massa: la libbra (lb) 453,59 g per il tempo: il secondo massa intervallo di tempo intensità di corrente elettrica Temperatura termodinamica quantità di materia Intensità luminosa kilogrammo secondo ampere kelvin mole candela 1 sottomultipli di tali unità più diffusi sono: il piede 1/3 yarda il pollice = 1/36 yarda l'oncia 1/16 Libbra 1 pollice 1/36 yarda 1/36 x 91,44 cm = 2,54 cm 7/13

8 Multipli e sottomultipli Misure dirette ed indirette Il confronto DIRETTO fra campione di unità di misura e grandezza da misurare costituisce una MISURA DIRETTA La valutazione di una grandezza per mezzo di calcoli matematici che aggregano una o più misure dirette in un risultato associabile alla misura voluta si dice MISURA INDIRETTA. Il calibro Il calibro è uno strumento per la misura diretta di lunghezze 8/13

9 Ha una portata di circa 15 cm ed ha una sensibilità, per le misure più semplici, del millimetro ma con un artificio chiamato NONIO può stimare fino 1/20 mm Il calibro a nonio è uno strumento per misurare lunghezze di grandissima diffusione, perché consente di misurare spessori, diametri interni di tubi, profondità di fori ecc. con la precisione di 1/20 mm. La figura i illustra uno di questi strumenti e la figura 2 ne schematizza l'impiego. 9/13

10 Lo strumento ha la scala inferiore graduata in millimetri mentre la scala superiore è graduata in sedicesimi di pollice in quanto tale sistema anglosassone è ancora diffuso per alcuni componenti meccanici. Limitiamo le nostre considerazioni alla sola scala inferiore e al calibro a nonio decimale.il nonio decimale consiste in un'ulteriore scala graduata di 10 tacche incisa sul cursore dei calibro. Quando il cursore è chiuso, lo zero del nonio (la prima tacca incisa sul cursore in basso) coincide con lo zero della scala graduata in millimetri. Le altre tacche dei nonio non coincidono con le tacche superiori (tranne l ultima) in quanto il nonio suddivide in 10 parti uguali 9 millimetri della scala superiore. In modo analogo, quando lo zero dei nonio coincide con una qualunque tacca della scala in millimetri, i successivi 9 millimetri della scala sono suddivisi in 10 parti dalle tacche dei nonio. Si comprende a questo punto che la prima tacca del nonio resta indietro di 1/10 mm rispetto alla prima tacca della scala in miliimetri successiva alla tacca di coincidenza, che la seconda tacca dei nonio resta indietro di 2/10 mm rispetto alla seconda tacca della scala in millimetri successiva alla tacca di coincidenza, e cosi via fino alla nona tacca dei nonio che rimane indietro di 9/10 mm rispetto alla corrispondente tacca 10/13

11 Esempio di nonio più semplice: il quartio Considero nell esempio seguente un segmento di lunghezza 30 cmrappresentato su due scale in cui siano indicate due scale differenti: nella superiore la lunghezza è suddivisa in 3 segmenti di 10 cm l uno e su questa faremo la principale nella inferiore la lunghezza è suddivisa in 4 segmenti di 7.5 cm l uno 10 cm 10 cm 10 cm cm 7.5 cm 7.5 cm 7.5 cm E evidente che le tacche della scala inferiore sono più corte di 2.5 cm rispetto alle tacche della scala superiore. Inizialmente i due zeri coincidono. Quando la scala inferiore viene fatta scorrere fino a che la prina tacca (1) della scala superiore è allineata alla prima tacca (1) di quella inferore, arriviamo a questa situazione che ora analizziamo 11/13

12 10 cm 10 cm 10 cm ? cm 7.5 cm 7.5 cm 7.5 cm L estremo sinistro della scala inferiore (0) si è spostato rispetto allo zero e non ha sulla scala superiore una lettura corrispondente ma sappiamo che le tacche delle due scale differiscono per 2,5 cm, quindi l estremo sinistro della tacca inferiore è avanzato di 2,5 cm. 10 cm 10 cm 10 cm 0? cm 7.5 cm 7.5 cm 7.5 cm Facciamo scorrere ancora la scala inferiore fino all allineamento di una nuova tacca, la (2): l estremo sinistro della scala inferiore (0) si è spostato rispetto allo zero e non ha sulla scala superiore una lettura corrispondente ma sappiamo che le 2 tacche della scala inferiore sono più corte delle corrispondenti sulla scala superiore 12/13

13 di 2,5 cm ciascuna, quindi l estremo sinistro della tacca inferiore è avanzato di 5 cm. Proseguendo facciamo scorrere ancora la scala inferiore fino all allineamento di una nuova tacca, la (3): l estremo sinistro della scala inferiore (0) si è spostato rispetto allo zero e non ha sulla scala superiore una lettura corrispondente ma sappiamo che le 3 tacche della scala inferiore sono più corte delle corrispondenti sulla scala superiore di 2,5 cm ciascuna, quindi l estremo sinistro della tacca inferiore è avanzato di 7.5 cm. 10 cm 10 cm 10 cm 0? cm 7.5 cm 7.5 cm 7.5 cm In conclusione il trucco del nonio ci consente di aumentare la sensibilità dello strumento. 13/13