Il metodo scientifico

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1 La Fisica è una scienza grazie a Galileo che a suo fondamento pose il metodo scientifico 1 Il metodo scientifico La Natura è complessa: non basta osservarla per capirla Intuizione di Galileo: bisogna porre alla Natura delle domande mirate. Bisogna realizzare degli esperimenti. Esempio: la caduta dei gravi. In aria una pietra arriva a terra prima di un foglio di carta. I corpi più pesanti cadono più rapidamente di quelli leggeri? (Ma la carta appallottolata cade più velocemente!) Oggi sappiamo che la caduta dipende da: attrazione gravitazionale della terra; resistenza dell aria. Se facciamo cadere i 2 oggetti in un contenitore dove abbiamo creato il vuoto, li vedremo arrivare a terra assieme. Per quanto riguarda l effetto di attrazione terrestre i corpi cadono nello stesso modo (si potrebbe poi investigare l effetto dell aria ) Gli esperimenti vanno realizzati (ideati, condotti e i risultati analizzati) schematizzando i processi della Natura attraverso la costruzione di modelli (= rappresentazioni mentali in termini di schemi familiarianalogie) Esempio: modello dell atomo come insieme dove gli elettroni girano attorno al nucleo dell atomo come i pianeti attorno al sole Gli esperimenti si realizzano attraverso le misurazioni di grandezze fisiche (vd.dopo).

2 La Fisica è quindi una scienza sperimentale I risultati degli esperimenti vengono interpretati per giungere a formulare una Teoria La Fisica adotta il linguaggio della Matematica (le leggi della Fisica sono espresse come relazioni matematiche tra le grandezze fisiche) 2 Grandezze fisiche e loro misurazione Def. Misurazione = procedimento che associa un numero (misura) a una grandezza fisica. Associa anche la sua attendibilità (errore) La misurazione consiste nel determinare il rapporto tra la grandezza da misurare e un altra ad essa omogenea scelta (arbitrariamente) come unità di misura Esempio: la misurazione della lunghezza (che è una grandezza fisica) di un oggetto viene realizzata per confronto con la lunghezza di un regolo campione (il metro) o di un suo multiplo. I procedimenti utilizzati nella misurazione devono far sì che il numero (la misura della grandezza) sia ottenuto in modo non ambiguo e riproducibile. Le grandezze fisiche sono definite in modo operativo: Il modo di misurare una grandezza fisica ne fissa la definizione Esempio: Il tempo è quella grandezza fisica che si misura con l orologio Poiché le grandezze fisiche non sono tutte indipendenti, se ne scelgono alcune come fondamentali (es. lunghezza e tempo) e le altre si derivano da queste (es.velocità)

3 3 Il Sistema Internazionale delle unità di misura La scelta delle grandezze fondamentali (e delle rispettive unità) dà origine a un sistema di unità di misura. Ne esistono diversi. Quello più diffuso è il Sistema Internazionale (SI) che adotta come unità fondamentali Sono 7 grandezze fondamentali (con 7 unità fondamentali). Per la meccanica e l elettromagnetismo ne bastano 4 (quelle sottolineate) Alcune grandezze derivate

4 La descrizione degli eventi fisici richiede la specificazione di quando e dove avvengono. Lunghezza e tempo sono quindi grandezze particolarmente importanti e sono tradizionalmente assunte come fondamentali. Tempo 4 Def: tempo = la grandezza fisica che viene misurata con l orologio (orologio=dispositivo che sfrutta un fenomeno periodico). Quale orologio usare per definire l unità di tempo? Per secoli si sono usati fenomeni astronomici. Oggi si usa un orologio atomico basato su una frequenza caratteristica di transizione iperfine dell atomo di 133 Cs (Precisione:10-13 ) Def: un secondo = tempo necessario alla luce (di una specifica lunghezza d onda) emessa da un atomo di 133 Cs per effettuare vibrazioni Come è migliorata la misura di tempo

5 5 Lunghezza Le misure di lunghezza si realizzano tipicamente con un regolo. La definizione di unità di lunghezza attuale (dal 1983) poggia sul fatto sperimentale che la velocità dalla luce nel vuoto è una costante della Natura. Si definisce: Def: il metro = distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo temporale di 1/ s (La precisione è circa ) Questo numero è stato scelto in modo che il valore della velocità della luce fosse esattamente = m/s Massa È la terza grandezza fondamentale del S.I. di misura Def: la massa = grandezza fisica che viene misurata con la bilancia a 2 bracci. La misura si fa per confronto col campione di massa (di 1 kg) Il campione è un cilindro di platino-iridio conservato vicino a Parigi. L evoluzione della definizione di campione di massa è stata inferiore rispetto a quella di lunghezza e tempo. La precisione è circa 10-8

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7 Importanza del corretto uso delle unità di misura 7 1 yd = 0,9144 m

8 La notazione scientifica 8 I numeri vengono espressi utilizzando le potenze di dieci. Es: m si scrive m 0,0492 s si scrive 4, s Vantaggi della notazione scientifica: è formalmente compatta; è immediatamente evidente l ordine di grandezza; è immediatamente evidente la precisione con cui è noto il valore numerico Def: ordine di grandezza = potenza di dieci quando il numero viene espresso in notazione scientifica. Es: per l ordine di grandezza è 5 (a volte si dice che è 10 5 ) per 4, l ordine di grandezza è -2 (a volte si dice che è 10-2 ) L incertezza di una misura è espressa dal suo errore. Es: l = ( 3,5 ± 0,1)m Errore (può essere dovuto a errori di misurazione o alla natura stocastica della grandezza misurata)

9 9 L errore influenza il numero di cifre significative da riportare Es: variare Va scritto 3 ( 4,5397 ± 0,21) 10 3 ( 4,54 ± 0,21) 10 è una scrittura non corretta. Infatti già 3 può N.B. approssimazione Es: cifre significative x = 3m x = 3,0m x x = 0,03m = 0,030m 1 cifra significativa 2 cifre significative x = 30m? se se 3, se 3, allora 1 cifra allora 2 cifre allora 4 cifre

10 Prefissi delle unità di misura 10 M U L T I P L I S O T T O M U L T I P L I