UNITÀ 1 LA MISURA DELLE GRANDEZZE FISICHE 1. Che cos è la Fisica. La fisica è una scienza sperientale che studia i fenoeni naturali, detti anche fenoeni fisici, utilizzando il etodo scientifico. Si tratta di una scienza sperientale perché i risultati ottenuti sono stati dedotti da nuerosi esperienti effettuati e ripetuti da olti scienziati di tutto il ondo. Sebbene alcune scoperte risalgano ai tepi antichi (intorno al 500 a. c. con Deocrito e Zenone) la fisica vera e propria nasce intorno al 1600 con Galileo Galilei che, utilizzando il etodo scientifico, fece iportanti scoperte nell abito della Dinaica e dell Astronoia. E iportante studiare la Fisica per conoscere i fenoeni che avvengono intorno a noi, coprenderli e sfruttarli opportunaente per realizzare dispositivi utili a igliorare la qualità della nostra vita.. I fenoeni fisici. Sono tutti i fenoeni naturali che avvengono senza trasforazione di ateria e che vengono studiati in Fisica. Per esepio il oviento degli oggetti, il galleggiaento dei corpi sull acqua, l attrazione fra i corpi celesti, la dilatazione di un oggetto quando viene riscaldato, i passaggi di stato, la produzione e la trasissione di calore, l interferenza delle onde sonore, il fenoeno dell eco, l effetto Doppler, la riflessione della luce su uno specchio, la rifrazione della luce quando passa in un ezzo trasparente, l attrazione e la repulsione fra cariche elettriche, l attrazione e la repulsione fra i poli agnetici delle calaite, l effetto terico della corrente, l effetto agnetico della corrente, l induzione elettroagnetica, la produzione e la trasissione delle onde elettroagnetiche ecc. 3. I settori della Fisica. Nello studio della Fisica si distingue la Fisica classica sviluppata dal 1600 al 1900 e la Fisica oderna sviluppata dal 1900 in poi. La Fisica classica viene divisa in cinque parti e ciascuna si occupa di un particolare tipo di fenoeni. La eccanica: studia l equilibrio degli oggetti, il oviento degli oggetti e le cause che lo producono. Serve per progettare palazzi stabili e ezzi di trasporto veloci. La terologia: studia il riscaldaento degli oggetti, la propagazione del calore e la trasforazione del calore in oviento. Serve per progettare ipianti di riscaldaento e centrali teroelettriche. L acustica: studia le proprietà delle onde sonore, la produzione e la propagazione dei suoni. Serve per progettare struenti usicali e casse acustiche. L ottica: studia le proprietà della luce e la propagazione dei raggi luinosi. Serve per progettare struenti ottici e ipianti di illuinazione. L elettroagnetiso: studia le correnti elettriche, i fenoeni agnetici e le onde elettroagnetiche. Serve per progettare circuiti elettrici, acchine elettriche e dispositivi elettronici. La Fisica oderna si occupa dei fenoeni che riguardano l infinitaente piccolo (Fisica atoica e Fisica subatoica), dei fenoeni che riguardano l infinitaente grande (Astrofisica e Cosologia) e dei fenoeni che riguardano le alte velocità (Fisica relativistica). 4. L obiettivo della Fisica. L obiettivo della Fisica è quello di conoscere quali sono i fenoeni naturali che avvengono intorno a noi, coprendere perché questi fenoeni avvengono in un deterinato odo, ricavare delle forule che perettano di valutare quantitativaente questi fenoeni. Dopo aver studiato questi fenoeni fisici può essere possibile controllarli, riprodurli e sfruttarli opportunaente per realizzare dispositivi utili. Per esepio sapendo coe avviene la produzione e la trasissione del calore, possiao progettare ipianti di riscaldaento efficaci ed efficienti. Sapendo coe avviene la propagazione della luce nel vetro, possiao progettare lenti, icroscopi e cannocchiali di elevata qualità. Conoscendo l effetto terico della corrente elettrica si possono progettare apparecchiature elettriche che producono calore, coe fornelli, stufe, ferri da stiro ecc. Conoscendo l effetto agnetico della corrente elettrica possiao progettare otori elettrici da utilizzare in varie applicazioni.
5. Il etodo sperientale. È il etodo usato in Fisica per studiare i fenoeni fisici. Questo etodo coprende le seguenti fasi: a- osservare il fenoeno e individuare in esso alcune caratteristiche isurabili, che si chiaano grandezze fisiche (per es. lunghezza, assa, tepo, teperatura ); b- eseguire la isura di queste grandezze fisiche utilizzando opportuni struenti (per es. la rotella etrica, la bilancia, il cronoetro, il teroetro ); c- rappresentare i dati ottenuti in tabelle e grafici, facendo delle ipotesi sul fenoeno e cercando di capire coe avviene; d- ricavare dai grafici le forule fisiche, cioè le equazioni che legano tra loro le varie grandezze fisiche. 6. Le grandezze fisiche. Sono quelle caratteristiche di un fenoeno fisico che si possono isurare. Per esepio le seguenti caratteristiche, che si possono isurare con qualche struento, sono grandezze fisiche: - la lunghezza, che si può isurare col etro, col righello o col calibro; - la assa, che si può isurare con la bilancia; - il tepo, che si può isurare con il cronoetro o con l orologio; - la teperatura, che si può isurare con il teroetro; - la velocità, che si può isurare con il tachietro; - la forza, che si può isurare col dinaoetro; - la pressione, che si può isurare col anoetro, col baroetro o con lo sfigoanoetro; - la corrente elettrica, che si può isurare con l aperoetro; - la tensione elettrica, che si può isurare con il voltoetro. Quelle caratteristiche che non si possono isurare con alcuno struento, coe la bellezza, la bontà, la generosità, il piacere, non sono grandezze fisiche. 7. Le forule fisiche. Sono delle relazioni ateatiche (cioè delle equazioni) che legano tra loro le varie grandezze fisiche. Per esepio: p g d s v t v a t F a E c Dalle forule fisiche è iportante saper ricavare le forule inverse, per poter risolvere i problei di fisica. 8. La isura delle grandezze fisiche. Per isurare una grandezza fisica bisogna pria scegliere una unità di isura, cioè una grandezza fisica dello stesso tipo che funga coe capione di riferiento. Per esepio è stato scelto il etro coe unità di isura per la lunghezza, il chilograo coe unità di isura per la assa, il secondo coe unità di isura per il tepo, il grado centigrado coe unità di isura per la teperatura, e così via. Successivaente bisogna usare uno struento di isura per vedere quante volte è contenuto il capione scelto nella grandezza fisica da isurare. Per esepio si può usare la rotella etrica per isurare la lunghezza, la bilancia per isurare la assa, il cronoetro per isurare il tepo, il teroetro per isurare la teperatura ecc). Dopo aver eseguito la isura bisogna espriere il risultato in odo corretto scrivendo il sibolo della grandezza fisica, il segno di uguaglianza, il valore nuerico ottenuto e il sibolo dell unità di isura. Esepi: lunghezza l=16,5 assa =,3 kg tepo t=45,7 s teperatura T=6,8 C 9. Grandezze fisiche fondaentali e derivate. Alcune grandezze fisiche sono dette fondaentali perché nel 1960 sono state scelte da un coitato internazionale coe grandezze fisiche principali. Le altre grandezze fisiche sono dette derivate perché sono date dalla cobinazione di grandezze fisiche fondaentali.
10. Il Sistea Internazionale di unità di isura (SI). È l insiee delle grandezze fisiche fondaentali e delle rispettive unità di isura che la Conferenza Generale dei pesi e delle isure ha stabilito nel 1960. Esse sono indicate nella seguente tabella: Grandezza fisica Sibolo Unità di isura Sibolo lunghezza l etro assa chilograo kg tepo t secondo s teperatura T kelvin K intensità di corrente i apere A intensità luinosa I candela cd quantità di ateria q ole ol 11. Le diensioni fisiche delle grandezze derivate. Sono dei siboli che indicano il legae tra una grandezza derivata e le grandezze fondaentali. Le diensioni fisiche di una grandezza fisica si indicano scrivendo la grandezza fisica tra parentesi quadre. Le diensioni di una assa si indicano con [] Le diensioni di una lunghezza si indicano con [l] Le diensioni di un tepo si indicano con [t] Le diensioni di una teperatura si indicano con [T] ecc Le diensioni fisiche di una grandezza derivata si trovano scrivendo la forula tra parentesi quadre e sostituendo ad ogni grandezza fisica la sua diensione, tenendo presente che un nuero, non essendo una grandezza fisica, non ha diensioni. Esepi: Diensioni fisiche di un area: Diensioni fisiche di una velocità: b h A = b h l l l v = t l t t = l s = 1 1. La notazione scientifica. E un odo sintetico per indicare i nueri olto grandi o olto piccoli, evitando di scrivere olti zeri a utilizzando le potenze di 10. Per scrivere un nuero in fora scientifica si scrive solo la pria cifra intera, tutte le altre cifre deciali e si oltiplica per una opportuna potenza di 10. L esponente è uguale al nuero di posti di cui si deve spostare la virgola. Esepi: 8 velocità della luce: c 300000000 / s 310 / s 11 raggio dell atoo di idrogeno: r 0,0000000000 5 510 13. Multipli e sottoultipli. Sono dei prefissi che si usano nel linguaggio coune per indicare grandezze fisiche di valore olto grande o olto piccolo. I più usati sono indicati nella tabella. Multiplo o sibolo fattore oltiplicativo sottoultiplo tera T 10 1 giga G 10 9 ega M 10 6 kilo k 10 3 etto h 10 deca da 10 1 deci d 10-1 centi c 10 - illi 10-3 icro μ 10-6 nano n 10-9 pico p 10-1 Esepi: potenza di una centrale elettrica: 6 P 10000000W 1010 W 10MW spessore edio di un capello: 6 d 0,000008 810 8
14. L ordine di grandezza. L ordine di grandezza di un nuero è la potenza di 10 più vicina a quel nuero. Per deterinare l ordine di grandezza di un nuero, si scrive questo fora scientifica e il nuero deciale ottenuto, secondo il suo valore, si approssia ad 1 oppure a 10. Si ottiene così la potenza di 10 più vicina al nuero, cioè l ordine di grandezza. Per esepio calcolare l ordine di grandezza di 734 734 10. 4 4 5 10 7,3410 1010 10 l ordine di grandezza risulta 5 10 Calcolare l ordine di grandezza di 6,7 10 6,7 11 10 10 10 10,6710 110 10 l ordine di grandezza risulta 11 10 10 15. L intervallo di tepo e il secondo. L intervallo di tepo è una grandezza fisica che indica la durata di un certo fenoeno. Nel S.I. l unità di isura dell intervallo di tepo è il secondo (s). 1 giorno Fino al 1960 il secondo era definito coe a, dal 1960 il secondo viene definito in odo più 86400 preciso coe l intervallo di tepo in cui l onda elettroagnetica eessa dall atoo di cesio copie circa 9 iliardi di oscillazioni. Un generico intervallo di tepo si può isurare con un cronoetro o con un orologio tarato in secondi. Sono olto usati i seguenti ultipli del secondo: inuto: in 60s ora: h 3600s giorno: d 86400s Esercizi con ultipli e sottoultipli del secondo. Misure di tepo con l orologio, il cronoetro e il telefono cellulare. 16. La lunghezza e il etro. La lunghezza è una grandezza fisica che indica le diensioni lineari di un oggetto. Nel S. I. l unità di isura della lunghezza è il etro (). Fino al 1960 il etro era definito coe 1eridiano, a dopo il 1960 il etro è stato definito in odo più preciso coe la distanza che la luce 40.000.000 1secondo percorre nel vuoto in un tepo di circa. Una generica lunghezza si può isurare con una 300.000.000 rotella etrica o con un righello. Sono olto usati i seguenti ultipli del etro: decaetro: da 10 ettoetro: h 100 kiloetro: k 1000 Esercizi con ultipli e sottoultipli del etro. Misure di lunghezze. 17. La assa e il kilograo. La assa è una grandezza fisica che indica la quantità di ateria contenuta in un oggetto. Nel S.I. l unità di isura della assa è il kilograo (kg). La assa di un kg è uguale alla assa del capione di riferiento, costituito da un cilindro di platino-iridio, che si trova al useo di Sèvres, presso Parigi. Una generica assa si può isurare con la bilancia a bracci uguali, confrontandola con delle asse capione di riferiento. Sono olto usati i seguenti ultipli del kilograo: quintale: q 100kg tonnellata: t 1000kg Esercizi con ultipli e sottoultipli del kilograo. Misure di asse con la bilancia a bracci uguali, la bilancia a olla e la bilancia elettronica.
18. Misure dirette e indirette. La isura diretta di una grandezza fisica è la isura fatta direttaente con uno struento che confronta la grandezza da isurare con il suo capione di riferiento. Per esepio la isura di una assa viene fatta direttaente con la bilancia a bracci uguali, utilizzando delle asse capione; la isura di una lunghezza viene fatta con la rotelle etrica tarata in etri; la isura di un intervallo di tepo viene effettuata con un orologio che indica i secondi; la isura di una teperatura viene effettuata con un teroetro tarato in gradi centigradi ecc. La isura indiretta di una grandezza fisica è la isura ottenuta ediante un calcolo, da una forula che contiene altre grandezze fisiche. Ad esepio per isurare il volue di una stanza, pria si isurano i lati della stanza a, b, c, e poi si utilizza la forula di geoetria abc per calcolare il volue della stanza. Per isurare la velocità edia di un atleta, pria si isura la distanza percorsa s, poi si isura s l intervallo di tepo ipiegato t e poi si utilizza la forula di fisica v per calcolare il valore della t velocità. Per isurare la densità di un oggetto, pria si isura la sua assa, poi si isura il suo volue e poi si utilizza la forula di fisica d per calcolare il valore della densità. 19. L area. L area è una grandezza fisica che indica le diensioni superficiali di un oggetto. Se l oggetto ha una fora regolare la sua area si calcola utilizzando una forula di geoetria. Se l oggetto ha una fora irregolare l area si isura sovrapponendo dei quadratini e contando quelli che si trovano all interno. Nel SI l area si isura in. Nella pratica sono anche usati i seguenti ultipli del etro quadrato: ara: a 100 ettaro: ha 100a 10000 Forule di area. Forule inverse. Esercizi di equivalenza. Misure dirette e indirette di aree. 0. Il volue. Il volue è una grandezza fisica che indica lo spazio occupato da un oggetto. Se l oggetto ha una fora regolare il suo volue si calcola utilizzando una forula di geoetria. Se l oggetto ha una fora irregolare il volue si può ottenere utilizzando un cilindro graduato contenente dell acqua e isurando i livelli dell acqua sul cilindro pria e dopo l iersione dell oggetto. Nel SI il volue si isura in 3. Forule di volue. Forule inverse. Esercizi di equivalenza tra volui. Misure dirette e indirette di volui. 1. La densità. La densità è una grandezza fisica che indica quanto è concentrata la assa all interno di un oggetto. Si calcola deterinando il rapporto tra la assa dell oggetto e il volue dell oggetto: d Siccoe la assa si isura in kg e il volue in 3 kg, la densità si isura in 3, o in altri odi equivalenti.. Esercizi di equivalenza tra densità. Misure indirette di densità.