Introduzione alla Fisica • Ripasso di matematica • Grandezze fisiche • Vettori Algebra dei numeri relativi Numeri relativi: numeri preceduti dal segno + o dal segno – segno a = 5,2 modulo o valore assoluto (si indica con |a|) Due numeri relativi sono • concordi se hanno lo stesso segno es: (–3 ; –7,15 ; –6001); • discordi se hanno segno contrario es: (+73,6 ; –12,2); • opposti se hanno stesso modulo e segno contrario es: (–2,13 ; +2,13) • reciproci (inversi) se hanno lo stesso segno e modulo inverso es: (–4/5 ; –5/4) Chiamiamo espressione algebrica una espressione matematica che contiene numeri relativi 2 1 4 numerica: 2 3 letterale: 3a 2b 5ab 2 ... dove le lettere rappresentano In una espressione matematica un generico numero In una legge fisica una grandezza fisica • intero (0; 1; 2; 3; ...) valore numerico + unità di misura • intero relativo (.. –2; -1; 0; 1; ...) • m ( 3,7 kg; 8 mg; 12 lb; ...) • reale (-1/2; 136,11111; 7; e2,7...) • t ( 8,7 ms; 3 h; 2,7 giorni; ...) Stessa algebra !! Somma algebrica Nell’algebra dei numeri relativi, una espressione contenente addizioni e sottrazioni numeriche e letterali 3 2z 5 8 y 4 viene sempre considerata come una somma algebrica, ovvero intesa come somma di numeri relativi: 3 (2 z ) (5) (8 y ) (4) Nota: per scioglimento delle parentesi in una espressione • si elimina la parentesi se preceduta dal segno + • si elimina la parentesi cambiando segno a tutti i fattori al suo interno se preceduta dal segno - (4 x 2 y 3z ) 4 x 2 y 3z (4 x 2 y 3z ) 4 x 2 y 3z Le 4 operazioni • Addizione (somma) (2) (6) 8 (13) (9) 4 Addendi concordi:somma dei moduli stesso segno Addendi discordi:differenza dei moduli • Sottrazione (differenza) segno dell’addendo di modulo maggiore Si ottiene sommando al primo numero (minuendo) l’opposto del secondo (sottraendo) (4) (9) (4) (9) 5 • Moltiplicazione (prodotto) (4)( 3)( 7) 84 Il modulo è il prodotto dei moduli Il segno è positivo -> numero pari di segni negativo -> numero dispari di segni • Divisione (quoziente o rapporto) 1 (21) : (7) (21) 3 7 Si ottiene moltiplicando il dividendo per il reciproco del divisore Esempi: 2 1 1 1 1 3 5 3 2 6 R. 2 3 2 3 7 : 2 : 1 2 3 4 6 R. 5 Potenze a = base, b = esponente a a a a (b volte) b Proprietà delle potenze an + am (nessuna an * am = an+m (an)m = an*m di ugual base particolare proprietà) a3 + a2 = (a*a*a) + (a*a) = … dipende! a3 * a2 = (a*a*a) * (a*a) = a*a*a*a*a = a5 (a3)2 = (a*a*a) * (a*a*a) = a*a*a*a*a*a = a6 an/am = an-m a3/a2 = (a*a*a)/(a*a) = a = a1 Ma attenzione: a3/a2 = (a*a*a)/(a*a) = a = a1 = a3-2 a2/a3 = (a*a)/(a*a*a) = 1/a = a-1 = a2-3 a3/a3 = (a*a*a)/(a*a*a) = 1 = a0 = a3-3 La regola continua a valere, purchè si definisca a-n = 1/an a0 = 1 potenza a esponente negativo potenza a esponente nullo Esempi: 1 2 3 4 1 2 2 2 2 23 33 1 2 35 4 R. 16 3 R. 9 1 3 1 1 2 R. 8 R. 216 1 2 8 2 1 R. 128 3 R. 64 Radice E` l’operazione inversa dell’elevamento a potenza: n a è quel numero la cui potenza n-esima è uguale ad a : a n n n a n a (n volte) a • la radice di indice pari di un numero negativo non esiste 4 • la radice di indice dispari di un numero esiste ed è unica 3 8 2; • esistono sempre due radici di indice pari di un numero positivo 3 27 3 25 5 Nota: una potenza con esponente frazionario è uguale ad un radicale che ha per indice il denominatore della frazione man = an/m 2a6 = a6/2 = (a*a*a)*(a*a*a) = (a*a*a)2 = a*a*a = a3 Esempi: 6 2 R. 4 3 2 R. 12 4 42 3 2 (4) (4) 3 2 4 10 4 2 10 2 4 10 1 2 R. assurdo R. 200 Momomi e Polinomi Monomio: una qualunque espressione algebrica che si presenta sotto forma di prodotto di fattori numerici e letterali Coefficiente 4 3 ab 3 Grado nella lettera b Parte letterale identici se hanno stesso coefficiente e stessa parte letterale 2 2 4 2 ab ; a b ; 0, 6 a 2b ; 3 6 simili se hanno la stessa parte letterale e diverso coefficiente 8a 2bc 4 ; 5 2 4 a bc 7 ; 5,2a 2bc 4 ; Polinomio: è una somma algebrica di più monomi non simili 2a 3b ; mn 2n 4 ; 3ab 4a 2b 9 Le operazioni algebriche con monomi si eseguono seguendo le regole viste in precedenza, e ricordando che solo monomi simili possono essere sommati algebricamente Esempi: 3a 2b 2ab 2 5a 2b ab 2 6ab 3a b 2 2 5 2 8a b 3 2ab 2a 3b 2ab : 2 2 3c 9a c 3a bc 2 3 2 R. ab 2a b R. 18a b 2 2 3 3 a4 R. 4 b R. 3a c 4 R. 9a b c 4 2 6 Il prodotto di due polinomi si ottiene come somma algebrica dei prodotti di ciascun termine del primo polinomio per tutti i termini del secondo. Esempi: 2a ab 3a b 2 2 3x 2 y 4x 5 y R. 6a b 3a b R. 12x 7 xy 10 y 3 3 3 2 I calcoli possono essere semplificati nel caso di prodotti notevoli: (a b)( a b) a 2 b 2 (a b) 2 a 2 2ab b 2 3 3 2 2 3 (a b) a 3a b 3ab b 2 Il quoziente di due polinomi non è in generale risolubile. Tuttavia, è spesso possibile semplificare una frazione algebrica raccogliendo ed eliminando i fattori moltiplicativi comuni a tutti i termini del numeratore e del denominatore Esempi: 8a b 12ab : 4ab R. 2a 3b 2a 2 2a 4ab 4b a R. 2b 2 2 378 315 3x 11y 6 12 x 3 y 9 R. 6 5 3x 11y 6 R. 12 x 3 y 9 Le frazioni di frazioni si risolvono facilmente ricordando le proprietà viste finora Esempi: 1 5 18 8 1 5 1 5 8 3 7 31 1 9 7 9 21 Equazioni Equazione = relazione di uguaglianza tra due membri verificata per particolari valori di una variabile incognita ax + b = 0 x = -b/a Proprietà: Sommando (sottraendo) una stessa quantità a entrambi i membri Moltiplicando (dividendo) per una stessa quantità entrambi i membri il risultato non cambia …e da qui deriva il metodo di risoluzione: ax + b = 0 ax + b – b = 0 – b ax = -b ax/a = -b/a x = -b/a Es. 2x - 6 = 0 2x – 6 + 6 = 0 + 6 2x = 6 2x/2 = 6/2 x=3 Esempi: 32x 5 5 x R. x 2 2a b x 2x b R. x b 2a 1 R. a b c 1 b ac R. 2(5 x) x 3( x 2) 2(3 x) x 3( x 2) R. impossibil e sempre verifica to Proporzioni Prodotto dei medi = prodotto degli estremi a:b = c:d ad = bc a/b = c/d Nulla di magico: sono solo normali equazioni! a = bc/d b = ad/c c = ad/b d = bc/a Conversione di unità di misura Es. Prezzo in lire Prezzo in euro N lire 1936.27 lire x 1 euro x N lire 1 euro 1 N euro N 0.000516 euro 1936.27 lire 1936.27 Prezzo in euro Prezzo in lire N euro 1 euro x 1936.27 lire x N euro 1936.27 lire N 1936.27 lire 1 euro Fattore di conversione = rapporto tra due unità di misura Esempio: risolvere usando le proporzioni Mediante perfusione intravenosa vengono somministrate 50 gocce al min di soluzione fisiologica (20 gocce = 1mlitro). Dopo 30 min, quanti mlitri di soluzione sono stati somministrati ? R. 75 ml Potenze di dieci e notazione scientifica 105 (si legge “dieci alla quinta”) è uguale a 1 moltiplicato per 1*100000 = 100000 10-5 (si legge “dieci alla meno 5”) 105 è uguale a 1.0 spostando la virgola a destra di 5 posti è uguale a 1 diviso per 105 1/100000 = 0.00001 è uguale a 1.0 spostando la virgola a sinistra di 5 posti Notazione scientifica (forma esponenziale) Si usa nei calcoli scientifici per esprimere numeri molto grandi e molto piccoli parte numerica 5,213·10-7 numero compreso tra 0,1 e 10 prodotto si usano anche i simboli e potenza di 10 l’esponente rappresenta il numero di posti decimali di cui occorre spostare la virgola Esempi: convertire da notazione numerica scientifica a notazione numerica ordinaria (o viceversa) 0,00321 972000 4 8,26 10 3,2 10 7 R. R. 9,72 10 3,2110-3 5 R. R. 82600 0,00000032 Le proprietà delle potenze permettono di eseguire velocemente operazioni complicate, con risultati esatti o non lontani dal risultato vero. 0,00002 0,0003 0,02 3000 60 0,4 7987 70444 Equazioni nella Fisica Equazioni Relazione di uguaglianza tra due membri tutto ciò che è a 1o membro (numeri + unità di misura) deve essere uguale a tutto ciò che è a 2o membro Es. Area di un rettangolo: A = ab = (50 cm)*(1 m) = 50 cm*m (da evitare!) = 50 cm * 100 cm = 5000 cm2 = 5000 cm NO! = 0.5 m * 1 m = 0.5 m2 = 0.5 m NO! Equivalenze tra unità di misura b a A a = 50 cm, b = 1 m Equivalenze tra unità di misura Occorre conoscere il fattore di conversione tra le diverse unità di misura Es. Velocità km/h m/s 1 km/h = 1000 m / 3600 s = 0,28 m/s m/s km/h 1m/s = 0,001 km / (1/3600) h = 3,6 km/h n km/h = n · 0,28 m/s n m/s = n · 3,6 km/h Velocità di un atleta dei 100 m: di un’automobile: della luce: 10 m/s = 10 · 3.6 km/h = 36 km/h 120 km/h = 120 · 0,28 m/s = 33,6 m/s 300000 km/s = 3 · 108 m/s = 3 · 108 · 3,6 km/h = 1,08 · 109 km/h Ovviamente il fattore di conversione inverso è l’inverso del fattore di conversione! Es. 0,28 = 1 / 3,6 Esempi: convertire le seguenti grandezze nelle unità di misura indicate • 12 in/min in cm/s • 33 kg/m3 in g/cm3 • 1h 7’ 30’’ in min Percentuale Metodo “comodo” per esprimere variazioni (aumenti o diminuzioni) rispetto a una situazione nota 1 % = 1/100 = 10-2 = 0.01 n % = n/100 = 10-2•n = 0.01•n Esempi: • 3% di 150 = 3/100 · 150 = 0,03 · 150 = 4,5 • 20% di 10000 = 0,20 · 10000 = 2000 • 20% di 0,003 = 0,20 · 0,003 = 2 · 10-1 · 3 · 10-3 = 6 · 10-4 = 0,0006 • 200% di 1000 = 2 · 1000 = 2000 (raddoppiare aumentare del 100% passare al 200 %) “Per mille”: 1 ‰ = 1/1000 = 0.001 = 0.1% “Parte per milione”: 1 ppm = 1/1000000 = 0.000001 = 0.0001% = 0.001 ‰ Attenzione: la percentuale e’ sempre relativa alla grandezza a cui si riferisce! Esempi: • 20% di 1000 grammi = (0.20 · 1000) grammi = 200 grammi • Aumentare una quantità Q del 5%: Q Q + 5%Q = Q + 0,05 · Q = Q · (1 + 0,05) = 1,05· Q • Diminuire una quantità Q del 5%: Q Q - 5%Q = Q - 0,05 · Q = Q · (1 - 0,05) = 0,95 · Q • Soluzione di una sostanza in acqua al 5% = in volume: ad es. in 1 litro di soluzione, 950 cm3 d’acqua e 50 cm3 di soluto in peso: ad es. in 1 kg di soluzione, 950 g d’acqua e 50 g di soluto Superfici e volumi Retta – [L]1 Piano – [L]2 L (m) Spazio – [L]3 V (m3) S (m2) L’area della superficie di un corpo si misura sempre in m2, cm2,… Il volume (o capacità) di un corpo si misura sempre in m3, cm3,… c S = a•b V = a•b•c b r a S = p•r2 V = p•r2•l r S = p•r2 V = (4/3)•p•r3 In generale: S = base•altezza V = area base•altezza l Attenzione alle conversioni tra unità di misura! 1 m2 = (1 m)2 = (102 cm)2 = 104 cm2 = 10000 cm2 1 m3 = (1 m)3 = (102 cm)3 = 106 cm3 = 1000000 cm3 1 cm2 = (1 cm)2 = (10-2 m)2 = 10-4 m2 = 0.0001 m2 1 cm3 = (1 cm)3 = (10-2 m)3 = 10-6 m3 = 0.000001 m3 1 l = 1 dm3 = (1 dm)3 = (10-1 m)3 = (101 cm)3 = 10-3 m3 = 103 cm3 Angolo piano a Unità di misura s a R angolo giro angolo piatto angolo retto 360° 2p rad 180° p rad 90° p/2 rad gradi, minuti, secondi 1° = 60' 1' = 60" es: 32° 27' 38" lunghezza arco s radianti = R Per convertire tra gradi e radianti si può utilizzare la semplice proporzione x rad : y gradi = p : 180° Esempio: convertire 60o in radianti Triangolo rettangolo Teorema di Pitagora a c a2 b2 c2 b Esempio: b a2 c2 Casi particolari b a b a2 2 b2 a 2 b a b 2 1 c a 2 30o a b 60o c b2 a 2 c2 2 3 1 a2 a a2 4 2 3 b a 2 Funzioni Funzione = relazione univoca tra due grandezze variabili y=f(x) variabile dipendente variabile indipendente Esempi: y=x y=2x Assi Cartesiani variabile dipendente La funzione che lega le due grandezze X ed Y può essere rappresentata graficamente attraverso una curva in un piano cartesiano Y Definire la funzione y=f(x) significa stabilire come varia la variabile dipendente y al variare della variabile indipendente x. 0 variabile indipendente X Attenzione: Una relazione di dipendenza e’ una funzione se per ogni valore della variabile indipendente x esiste uno e un solo valore della variabile dipendente y Esempio: persona data di nascita SI NO persona targa auto NO SI x=n x=n SI NO y = n2 y = n y y SI x ? ? NO Una funzione e’ invertibile se a ogni valore della variabile dipendente y corrisponde uno e un solo valore della variabile indipendente x. x Le funzioni della Fisica Retta 1o grado Iperbole proporz.diretta proporz.inversa y raddoppia al raddoppiare di x s = v•t = c•T F = m•a V = R•I y si dimezza PV=k P=k/V f = c = c/f s P Retta t Iperbole V Parabola 2o grado proporz.dir.quadr. y quadruplica Fraz. quadr. proporz.inv.quadr. y si riduce a un quarto al raddoppiare di x al raddoppiare di x s = ½ a t2 Fg = G•m1m2/r2 Ek = ½ m v2 s Fe = K•q1q2/r2 F Parabola t proporz.inv.quadr r Funzioni dipendenti dal tempo Vasta classe di fenomeni della Fisica (e della vita quotidiana) Tempo = variabile indipendente parametro del moto • Moti: • Oscillazioni: • Decadimenti: s=s(t), v=v(t), a=a(t) s(t) = A sin(t) n(t) = n0 e-t Grandezze fisiche Definizione operativa: Grandezza fisica Proprietà misurabile Es. Sensazione di caldo/freddo NO (soggettiva, diversa per ciascuno) Temperatura SI (oggettiva, uguale per tutti) Misura di una grandezza: • mediante un dispositivo sperimentale • in confronto con un’altra grandezza omogenea di riferimento costante e riproducibile Espressione di una grandezza: numero + unità di misura rapporto tra misura e campione di riferimento MAI dimenticare l’unità di misura! Dire “un corpo è lungo 24” non ha senso. Dire “la densità dell’acqua è 1” non ha senso. …e dirlo all’esame… Grandezze fondamentali e derivate Fondamentali concetti intuitivi e indipendenti l’uno dall’altro non definibili in termini di altre grandezze Lunghezza Massa Tempo Intensità di corrente Temperatura assoluta [L] [M] [t] [i] [T] Derivate definibili in termini delle grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche Superficie Volume Velocità Accelerazione Forza Pressione In generale: ………… (forza/superficie) [L]2 [L]3 [L] [t]-1 [L] [t]-2 [L] [M] [t]-2 [L]-1 [M] [t]-2 ………… [L]a[M]b[t]c[i]d[T]e (lunghezza)2 (lunghezza)3 (lunghezza/tempo) (velocità/tempo) (massa*acceleraz.) Sistemi di unità di misura Stabilire un sistema di unità di misura = fissare le grandezze fondamentali e il valore dei loro campioni unitari Sistema [L] [M] [t] [i] [T] MKS / SI m kg s A oK cgs cm g s A oC Internazionale Sistemi pratici Lunghezza Tempo Volume Velocità Pressione Energia Calore lunghezza massa metro centim. chilogr. grammo tempo intens. corrente secondo secondo vari esempi angstrom, anno-luce minuto, ora, giorno, anno litro chilometro/ora atmosfera, millimetro di mercurio elettronvolt, chilowattora caloria ampere ampere temper. assoluta gr.kelvin gr.Celsius Fattori di conversione: MKS cgs 1 m = 102 cm 1 kg = 103 g cgs MKS 1 cm = 10-2 m 1 g = 10-3 kg MKS, cgs pratici e viceversa proporzioni con fattori numerici noti Se si sbagliano le unità di misura… Multipli e sottomultipli Per esprimere brevemente grandezze fisiche grandi o piccole: numero a 1,2,3 cifre + unità di misura con multiplo/sottomultiplo (di 3 in 3) Es. 57800 g = 5.78 • 104 g = 5.78 • (101•103) g = 57.8 kg 57.8 kg = 57.8 •103 g = 5.78 • 104 g 0.0047 g = 4.7 • 10-3 g = 4.7 mg 0.00047 g = 4.7 • 10-4 g = 4.7 • (102 • 10-6) g = 470 mg Per confrontare grandezze “infinitamente” grandi o piccole: Ordine di grandezza = potenza di 10 più vicina al numero considerato Es. Idrogeno: raggio atomo: 10-10 m, raggio nucleo 10-15 m 10-10 m /10-15 m = 105 L’atomo di idrogeno è 100000 volte più grande del suo nucleo! Esempio: • Il referto di un esame del sangue di un fornisce i seguenti valori: V.E.S. 7,2 mm/h Glicemia 98 mg/dl Si esprimano tali risultati nelle unità del Sistema Internazionale R. 2,0 10-6 m/s 3 0,98 kg/m • Una cellula sferica ha un diametro d = 20 mm. Quale è il volume della cellula in cm3 ? R. V 4,19 109 cm3 Alcune grandezze fisiche Alcune lunghezze valore in m - distanza della stella più vicina - anno-luce - distanza Terra-Sole - distanza Terra-Luna - raggio della Terra - altezza del Monte Bianco - altezza di un uomo - spessore di un foglio di carta - dimensioni di un globulo rosso - dimensioni di un virus - dimensioni di un atomo - dimensioni di un nucleo atomico 3.9•1016 m 9.46•1015 m 1.49•1011 m = 149 Gm 3.8•108 m = 380 Mm 6.38•106 m = 6.38 Mm 4.8•103 m = 4.8 km 1.7•100 m = 1.7 m 10-4 m = 100 mm 10-5 m = 10 mm 10-8 m = 10 nm 10-10 m 10-15 m (9 milioni di miliardi di km) (150 milioni di km) (400000 km) (6000 km) (5 km) (1/10 di mm) (1/100 di mm) (100 angstrom) (1 angstrom) Alcune grandezze fisiche Alcune masse valore in kg - massa del Sole - massa della Terra - massa di un uomo - massa di un globulo rosso - massa del protone - massa dell’elettrone 1.98•1030 kg 5.98•1024 kg 7•102 kg 10-16 kg 1.67•10-27 kg 9.1•10-31 kg Alcuni tempi valore in s - era cristiana - anno solare - giorno solare - intervallo tra due battiti cardiaci - periodo di vibraz. voce basso - periodo di vibraz. voce soprano - periodo di vib. onde radio FM 100 MHz - periodo di vib. raggi X 6.3 • 1010 s (2000 anni) 7 3.15 • 10 s 8.64 • 104 s 8 • 10-1 s (8/10 di sec.) -2 5 • 10 s (2/100 di sec.) -5 5 • 10 s (50 milionesimi di sec.) -8 10 s (10 miliardesimi di sec.) -18 10 s (1 miliardesimo di miliardesimo di sec.) Errori di misura Ogni misura diretta o indiretta di una grandezza è affetta da errore stima di quanto il valore ottenuto può discostarsi dal valore reale. Esempio: l = 5,3 0,2 Per convenzione: l = 5,3 equivale a Attenzione : Errore relativo o percentuale Misura: a a Errore relativo: err = a/a Errore percentuale: err% = a/a • 100 l = 5,3 0,1 5,3 5,30 lungh = (63 ± 0.5) cm err = (0.5 cm)/(63 cm) = 0.0079 err% = err • 100 = 0.79 % grandezze vettoriali • si indicano con v (oppure con la lettera v in grassetto) modulo (v o |v|) • sono caratterizzate da 3 dati direzione vettore verso direzione verso modulo v punto di applicazione Esempio di vettore: spostamento s •modulo s = |s|= 2,7 m •direzione : verticale •verso : dall’alto verso il basso altri vettori: velocità, accelerazione, ... Le grandezze che non hanno natura vettoriale sono chiamate grandezze scalari Esempio: temperatura, pressione, densità,.... Vettori uguali stesso modulo stessa direzione stesso verso Vettori opposti stesso modulo stessa direzione verso opposto Nota: • due vettori possono essere uguali anche se il punto di applicazione è differente; • il vettore opposto di v è il vettore (-v). somma di due vettori regola del parallelogramma (metodo grafico) a a s + b = s b s è anche chiamato vettore risultante di a e b Due vettori opposti hanno risultante nulla !! scomposizione di un vettore Un vettore può sempre essere scomposto in una somma di due vettori detti componenti, uno parallela (//) ed uno perpendicolare () rispetto ad una qualsiasi direzione e verso stabiliti. Per chi conosce la trigonometria: v// = v cos a v = v sen a v// a v ... altrementi: usare (quando possibile) le proprietà dei triangoli v differenza di due vettori regola del parallelogramma (metodo grafico) a – b = d a d b d -b a b d b +d = a moltiplicazione o divisione di un vettore per uno scalare Moltiplicare o dividere un vettore per uno scalare equivale a moltiplicare o dividere il modulo del vettore, lasciando invariata la direzione ed il verso. Esempio: v 2·v ½·v prodotto scalare di due vettori a a b = a·b// b// f b f=0 b a a b = a · b// = a·b f = 90° b f = 180° a b = a · b// = 0 a b a a b = a · b// = – a·b caso unidimensionale Se tutti i vettori nel problema considerato hanno la stessa direzione, il problema si semplifica notevolmente (problema unidimensionale) somma e differenza di vettori somma algebrica dei corrispondenti moduli prodotto scalare di due vettori Prodotto algebrico dei corrispondenti moduli algebra ordinaria delle grandezze scalari Simbologia Matematica = ~ = oppure ~ > (<) >> (<<) () |x| x -x uguale a approssimativamente uguale a circa uguale, dell’ordine di grandezza di diverso da maggiore (minore) di molto maggiore (minore) di maggiore (minore) o uguale direttamente proporzionale a modulo (o valore assoluto) di x variazione (aumento) di x (xdopo-xprima) diminuzione (o differenza) di x (xprima-xdopo)