Grandezza fisica

Una sfera di acciaio può essere
analizzata da diversi punti di vista:
Stati di equilibrio (meccanico)
Stati di moto (come cambiano)
Comportamento nelle interazioni con altri sistemi (cambiamento
degli stati di equilibrio e degli stati di moto) e proprietà che
determinano tale comportamento (massa, elasticità, plasticità)
MECCANICA
Stati di equilibrio termico (temperatura)
Comportamento nelle interazioni termiche con altri
sistemi e proprietà che determinano tale comportamento
Proprietà elettriche e magnetiche
TERMODINAMICA
ELETTROMAGNETISMO
Comportamento in presenza di un campo e.m.
Proprietà ottiche e comportamento
nell’interazione con la luce
OTTICA
Le diverse parti della fisica costituiscono altrettanti modi
diversi, ma interconnessi, di guardare agli oggetti reali.
Che cosa accomuna tutti questi diversi modi di guardare la
sfera (che chiamiamo fisica) e li differenzia per esempio
rispetto al modo di guardare alla sfera dell’ingegnere, del
pittore o dello scrittore o del fotografo?
In fisica si fornisce una rappresentazione estremamente
fedele solo di pochi aspetti del sistema attraverso un
apparato formale matematico le cui regole generali sono
organizzate in teorie.
Modello fisico: costrutto formale, basato su una teoria
fisica, che permette di descrivere con il desiderato
dettaglio gli aspetti di interesse di un fenomeno in cui è
coinvolto un definito sistema [modello  sistema fisico]
Differenza rispetto ai modelli costruiti in ingegneria: il
riferimento a una teoria.
Anche il quadro di un artista è un modello di un sistema
reale (ne riproduce alcuni aspetti e al tempo stesso può
caricare la rappresentazione dell’oggetto rappresentato
di significati proprio come fa la fisica), ma non è una
rappresentazione formalizzata dell’oggetto.
Ogni sistema fisico può essere descritto attraverso le sue proprietà.
Proprietà per cui è possibile definire
un procedimento di misura:
GRANDEZZE
FISICHE
FISICA
Definizione operativa: procedura con
cui si effettua la misura della grandezza
fisica considerata
Definizione basata su una legge:
legge formale che esprime la
grandezza fisica per mezzo di altre
grandezze
Proprietà per cui non è
possibile definire un
procedimento
di
misura:
proprietà
organolettiche
(Sapore)
(per ora non si sa
misurare, anche se è
chiaro che esso è in gran
parte legato alla struttura
fisica dell’alimento)
Definizione operativa:
Es. : Temperatura di un sistema: grandezza fisica che si misura con il
termometro ponendo quest’ultimo a contatto termico con il sistema
misurato e che si realizza all’equilibrio termico tra misuratore e sistema
misurato.
Definizione operativa di velocità: grandezza fisica che si misura con il
tachimetro
Definizione non operativa:
Es. : Velocità - La velocità istantanea di un sistema fisico in un definito
sistema di riferimento è data da:


r
v t   lim
t 0 t
Tre grandi categorie di proprietà di un sistema:
PROPRIETÀ
DI
STATO
–
Caratterizzano la condizione (di
equilibrio, di stato di moto; di
equilibrio termico; di equilibrio
elettrostatico..…) in cui si trova un
sistema fisico.
Energia, velocità,
Temperatura,
Quantità di carica,
potenziale
PROPRIETÀ DEL MATERIALE
O DELLA SOSTANZA con cui è
composto
il
sistema
(sottoinsieme:
proprietà
di
interazione)
Densità, moduli di elasticità,
viscosità, conducibilità termica,
calore specifico, permeabilità
magnetica, costante dielettrica,
indice di rifrazione
PROPRIETÀ DEL SISTEMA,
ossia che lo caratterizzano nella
sua specificità di oggetto diverso
dagli altri
Lunghezza, volume, massa,
capacità termica, capacità
elettrica
Un altro modo di categorizzare le grandezze fisiche di un sistema
Grandezze intensive:
Grandezze estensive:
=m/V: massa volumica
(Densità)
M = massa
Y, : Coefficienti di elasticità
v: velocità
T: Temperatura
c: Calore specifico
k: Conducibilità termica
V: potenziale
V = volume
q = mv: Quantità di moto
E = energia
S = entropia
C = mc, capacità termica
Q = quantità di carica
R = resistenza
: resistività
n: indice di rifrazione
M



M/2
M/2
Un altro modo di categorizzare le grandezze fisiche di un sistema
Grandezze scalari:
Grandezze vettoriali:
Una grandezza scalare è
caratterizzata unicamente
da
un
numero
(eventualmente positivo o
negativo).
Una grandezza vettoriale viene definita
da un modulo, una direzione, un verso
un punto di applicazione e segue la
regola associativa del parallelogramma
T: temperatura
E: energia
m: massa
: densità
V: volume
n: indice di rifrazione
(attenzione:
vettore

le
sue
componenti si trasformano come le
coordinate per un cambiamento di
riferimento)
r: vettore posizione
v: vettore velocità
F: vettore forza
q: vettore quantità di moto
La fisica descrive gli stati in cui si possono trovare i sistemi fisici
e i processi con cui tali stati vengono modificati, in generale
quando il sistema interagisce con altri sistemi, per mezzo di
relazioni tra le grandezze fisiche del sistema.
LEGGE FISICA: relazione tra grandezze fisiche che si possa verificare
sperimentalmente o ricavare formalmente (TEOREMA) da altre leggi e
concetti
Leggi fenomenologiche: descrivono le relazioni tra grandezze fisiche
coinvolte in un fenomeno (cinematica dei processi)
Leggi interpretative: descrivono i processi che determinano i
fenomeni in termini causali o in generale a partire da principi primi
PRINCIPI FISICI: leggi fisiche che vengono assunte come capisaldi
di una teoria. Tali leggi sono verificate sperimentalmente, sia
direttamente, sia soprattutto indirettamente attraverso la verifica
delle loro conseguenze.
Si differenziano dagli assiomi delle teorie matematiche, in quanto i
PRINCIPI FISICI derivano da evidenze sperimentali e non sono una
mera costruzione concettuale della mente umana.
In genere ad una legge fisica si attribuisce lo statuto di PRINCIPIO
quando insieme agli altri principi di una teoria consente la
deduzione logica della teoria stessa.
-Ogni teoria ha sempre valore in un definito ambito di
applicabilità (es.: per dimensioni opportune, velocità non elevate
dei sistemi in oggetto, per proprietà che si considerano…) e non
ha mai valore assoluto (anche nel tempo)
-Ogni teoria è valutata esclusivamente per la sua capacità
predittiva e condivisione dei suoi presupposti concettuali
-Ogni teoria ha validità solo in quanto riesce a fornire previsioni
quantitative confrontabili con esiti sperimentali e tale confronto
ha dato riscontro positivo (nell’ambito di applicabilità).
Vince una teoria non in quanto “più vera”, ma in quanto è quella
“che predice meglio” e che soddisfa a criteri di semplicità
concettuale e simmetria
Teorie concettualmente superate possono essere comunque di
insostituibile valore e utilità (es.: meccanica classica)
Il raccordo tra teoria e fatti sperimentali ha natura circolare.
Esso si basa sulla costruzione di modelli formali attraverso cui si possono
effettuare previsioni quantitative su un fenomeno fisico confrontabili con gli esiti
di esperimenti.
TEORIA
MODELLI
per
confermare,
validare,
falsificare
teorie
MODELLI
per prevedere
esiti
sperimentali
ESPERIMENTI
Al di sopra del mondo reale, cioè del mondo fenomenologico, si colloca il
mondo fisico che si compone di principi, leggi e relazioni empiriche: si
tratta di operazioni che permettono all’uomo di studiare più agevolmente i
fenomeni che lo circondano.
MONDO FISICO
MONDO FENOMENOLOGICO
MONDO MATEMATICO
MONDO FISICO
MONDO FENOMENOLOGICO
Grandezza fisica
Una grandezza fisica è una classe di equivalenza di
proprietà fisiche che possono essere misurate
mediante un rapporto reciproco.
Peso
Lunghezza
Proprietà fisiche
Con proprietà fisica si fa riferimento, genericamente, a
una caratteristica di un sistema che viene evidenziata
nello studio dei fenomeni fisici.
L'accento sull'aggettivo fisico ne sottolinea l'oggettività
(secondo il paradigma galieiano dell'intersoggettività) e la
riproducibilità.
Proprietà fisiche
Ferro
Proprietà fisiche
Stato a temperatura
ambiente
solido
(ferromagnetico)
Punto di fusione
1808 K (1535 °C)
Punto di ebollizione
3023 K (2750°C)
Volume molare
7,09 x 10-6 m3/mol
Calore di
evaporazione
349,6 kJ/mol
Calore di fusione
13,8 kJ/mol
Velocità del suono
4910 m/s a 293,15 °K
Calore specifico
440 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica
9,93 x 106/m ohm
Conducibilità termica
80,2 W/(m*K)
Proprietà fisiche
Alluminio
Proprietà fisiche
Stato a temperatura
ambiente
solido
Punto di fusione
933,47 °K (660,32 °C)
Punto di ebollizione
2792 °K (2518,85 °C)
Volume molare
10,00 × 10-3 m³/mol
Calore di
evaporazione
293,4 kJ/mol
Calore di fusione
10,79 kJ/mol
Velocità del suono
5100 m/s a 933 °K
Calore specifico
900 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica
37,7 x 106/m ohm
Conducibilità termica
237 W/(m*K)
Proprietà fisiche
Proprietà fisiche
Stato a temperatura
ambiente
solido
(ferromagnetico)
Stato a temperatura
ambiente
solido
Punto di fusione
1808 K (1535 °C)
Punto di fusione
933,47 °K (660,32 °C)
Punto di ebollizione
3023 K (2750°C)
Punto di ebollizione
2792 °K (2518,85 °C)
Volume molare
7,09 x 10-6 m3/mol
Volume molare
10,00 × 10-3 m³/mol
Calore di
evaporazione
349,6 kJ/mol
Calore di
evaporazione
293,4 kJ/mol
Calore di fusione
13,8 kJ/mol
Calore di fusione
10,79 kJ/mol
Velocità del suono
4910 m/s a 293,15 °K
Velocità del suono
5100 m/s a 933 °K
Calore specifico
440 J/(kg*K)
Calore specifico
900 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica
9,93 x 106/m ohm
Conducibilità elettrica
37,7 x 106/m ohm
Conducibilità termica
80,2 W/(m*K)
Conducibilità termica
237 W/(m*K)
Misurare le grandezze
Condizione necessaria perché una proprietà sia misurabile
misurabile è quella di poter
stabilire una relazione d'ordine fra quelle proprietà in sistemi diversi: ovvero
poter giudicare quale sistema esibisce "più" proprietà dell'altro.
Se tale confronto può essere basato sul rapporto fra le proprietà dei due
sistemi, allora la classe di equivalenza di quelle proprietà costituisce una
fisica.
grandezza fisica
Unità di misura
In questo caso, è possibile scegliere la proprietà di un particolare sistema ed
eleggerla a unità
didi
misura
unità
misura per quella grandezza fisica.
Fissata l'unità di misura, la quantità di tale grandezza per un qualsiasi altro
sistema potrà dunque essere univocamente specificata da un valore numerico
ottenuto dal rapporto con la proprietà scelta come campione di riferimento.
Esempio
La lunghezza di un oggetto può essere confrontata con quella di un
altro oggetto.
La lunghezza, in astratto, costituisce una grandezza fisica perché è
possibile stabilire la proporzione, ovvero il rapporto fra la lunghezza
specifica di due oggetti.
Possiamo allora scegliere la lunghezza di un oggetto particolare, come
il metro campione, e utilizzarla come unità di misura per la lunghezza
di qualsiasi altro oggetto.
Grandezza: Lunghezza
Unità di misura: Il metro è l’unità di misura della lunghezza.
1. Fino al 1875:
1 m = 1/40.000.000 lunghezza del meridiano terrestre
2. dal 1875 al 1960
1 m = distanza fra due tacche di una sbarra di Pt-Ir conservata al Bureau
International des Poids et Mesures di Sèvres (Parigi)
3. tra il 1960 ed il 1983
1 m = distanza corrispondente a 1 650 763,73 lunghezze d’onda di una
specifica radiazione elettromagnetica emessa da un atomo di 86Kr
4. dal 1983
1 m = distanza percorsa dalla luce nel vuoto in (1/2.997 924 58)·108 s
Misura di una grandezza fisica
Numero seguito da una unità di misura e un intervallo di indeterminazione
L = (15,3 0,2) cm
Rapporto tra il valore della grandezza misurata del sistema fisico in
osservazione e quello di una grandezza ad essa omogenea assunta come
unità.
Misura diretta: numero di volte in cui la grandezza riferita al campione della
unità di misura è contenuta nella grandezza del sistema misurata
Esempio
Misura di una lunghezza con un regolo
Quante volte la lunghezza del regolo sta nella lunghezza dell’oggetto
misurato
Misura indiretta: si ricava il valore della grandezza fisica del sistema,
utilizzando, nella legge che la definisce, il valore di altre grandezze fisiche
ottenuto con una misura diretta.
Campione di unità di misura
I criteri che si usano per scegliere i campioni sono:
•Disponibilità
•Facilità di riproduzione
•Precisione
Assieme al campione deve essere garantita la sua portabilità.
Il valore si sceglie in riferimento alla sua utilità pratica onde evitare che sia
necessario un eccessivo uso di suffissi
Sistemi di unità di misura
convenzionali  fondamentali per poter comunicare in una comunità
Ora universalmente accettato: SI (Systhème Internationale)
Derivazione del MKS
Ogni grandezza ha un simbolo (non abbreviazione: niente puntino finale!)
Ogni grandezza ha un nome che si scrive sempre minuscolo
Esempio:
grandezza fisica: forza
simbolo: F
unità di misura: N (newton)
Quando si esprime il valore di una grandezza fisica questa va indicata
1. o in notazione scientifica
2. o in notazione tecnica (con l’uso di prefissi)
Se ci sono dei calcoli intermedi, in essi non si riportano le unità
Le unità si riportano solo nel risultato finale
Espressione di una misura in:
Notazione scientifica: P = 5,65 ·106 W
Con l’uso di prefissi : P = 5,65 MW
Principali prefissi usati per le unità di misura nel SI
Nome
teragiga-
Simbolo
TG-
Moltiplica per
1012
109
megakiloettodeca-
Mkhda-
106
103
102
101
decicentimillimicronano-
dcmn-
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
pico-
p-
10-12
Le 7 unità fondamentali del Sistema Internazionale
Unità di misura
Simbolo u.m.
Grandezza fisica
metro
m
lunghezza
chilogrammo
kg
massa
secondo
s
tempo
ampere
A
intensità di corrente elettrica
kelvin
K
temperatura termodinamica
candela
cd
intensità luminosa
mole
mol
quantità di sostanza
Le 2 unità supplementari
radiante
rad
angolo piano
steradiante
sr
angolo solido
Le 7 unità fondamentali del Sistema Internazionale
Unità di misura
Simbolo u.m.
Grandezza fisica
metro
m
lunghezza
chilogrammo
kg
massa
secondo
s
tempo
ampere
A
intensità di corrente elettrica
kelvin
K
temperatura termodinamica
candela
cd
intensità luminosa
mole
mol
quantità di sostanza
Le 2 unità supplementari
radiante
rad
angolo piano
steradiante
sr
angolo solido