Università degli Studi di Catania

DIPARTIMENTO DI FISICA ED ASTRONOMIA
Corso di laurea in Fisica
Anno accademico 2015/2016 - 1° anno
LAB. DI FISICA I M - Z
15 CFU - 2° semestre
Docente titolare dell'insegnamento
CRISTINA NATALINA TUVE'
Email: [email protected]
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia, via Santa Sofia 64, Catania, Italy
Telefono: 0039 095 3785437
Orario ricevimento: per appuntamento
PREREQUISITI RICHIESTI
Conoscenze di base di Matematica (elementi di analisi) e di Meccanica classica.
FREQUENZA LEZIONI
La frequenza in laboratorio è obbligatoria. L’assenza ingiustificata a piu’ del 25% delle esercitazioni di
laboratorio escludera’ lo studente dall’accreditamento dei cfu relativi.
CONTENUTI DEL CORSO
Il corso è di 15 crediti. 150 ore di didattica tra lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio.
In particolare sono previste 60 ore di lezione in aula e 90 ore di esercitazioni guidate in laboratorio.
Analisi dei dati sperimentali (40 ore frontali):
- Il Metodo Scientifico.
- La misura delle grandezze fisiche. Definizione (operativa) di grandezza e sua misura. Grandezze
fondamentali e derivate. Unità di misura e sistemi di unità di misura: Il sistema internazionale.
- Presentazione delle misure e cifre significative. Leggere una formula e verificarne la sua correttezza
(analisi dimensionale)
- Caratteristiche di uno strumento di misura
- Errori e/o incertezze. Errori sistematici e casuali.
- L'errore totale nelle misurazioni, errore relativo, grado di precisione.
- Misure singole e/o multiple. La migliore stima dell'errore (moda, mediana e media)
- Scarti, scarto quadratico medio, deviazione standard della popolazione, del campione e della media.
- Propagazione degli errori.
- Rappresentazione dei dati: tabelle, istogrammi e grafici.
- Istogrammi: dal discreto alla distribuzione limite.
- La distribuzione di Gauss come distribuzione limite per misure affette da errori casuali.
- La misura di una grandezza fisica influenzata da fenomeni casuali e stima del valore atteso.
- Misura in termini probabilistici.
- Cenni su teoria delle probabilità.
- Il criterio di massima verosimiglianza.
- Distribuzioni di probabilità: Gaussiana, Binomiale, di Poisson.
- Test del chi-quadro.
- Grafici e relazioni funzionali
- Descrizione delle esperienze di laboratorio
Cenni di Statistica (20 ore frontali):
- Eventi casuali,variabili aleatorie- Definizione classica, frequentista e assiomatica di probabilità probabilità totale, probabilità condizionata,probabilità composta
- Teorema di Bayes -convergenza statistica - indipendenza statistica e covarianza - Popolazione statistica
- campionamento - legge dei grandi numeri - speranza matematica per variabili casuali discrete e
continue - densità di probabilità - momenti - funzioni generatrici dei momenti e funzione caratteristica •
distribuzione di Bernoulli • distribuzione di Poisson • distribuzione di Gauss • distribuzione di Student •
distribuzione χ2 • teorema del limite centrale • Indici statistici e loro stime campionarie
Esperienze di laboratorio (90 ore ):
Dinamica del punto materiale e del corpo rigido
Misure di lunghezze: nonio, calibro, palmer • Piano inclinato • Dispositivo di Fletcher • Macchina di
Atwood • Pendolo semplice • Pendolo composto, pendolo reversibile di Kater • Pendolo sferico,
sferometro • Pendolo su arco • Pendolo di torsione •Ago di Maxwell • Molle • Momento d'inerzia di un
volano • Energia cinetica di rotazione.
Meccanica dei continui deformabili
Picnometro • Bilancia di Mohr-Westphal •Viscosimetro di Ostwald - Stalagmometro •Tensiometro •Tubo
di Venturi • Sedimentazione.
Termodinamica
Calorimetro delle mescolanze di Regnault • Propagazione del calore in una sbarra omogenea •-Equazione
di stato del gas perfetto • Esperienza di Desormes e Clement • Tubo di Kundt
Verifica delle distribuzione di probabilità
Macchina di Galton
TESTI DI RIFERIMENTO
TESTI CONSIGLIATI per l'analisi dei dati e la statistica
1. J.R. Taylor: INTRODUZIONE ALL'ANALISI DEGLI ERRORI - LO STUDIO DELLE INCERTEZZE NELLE
MISURE FISICHE, Zanichelli
2. M. Loreti: Teoria degli Errori e Fondamenti di Statistica, Decibel, Padova
3. slides delle lezioni
TESTI CONSIGLIATI per la descrizione degli strumenti ed esperimenti
1.
2.
3.
4.
R. Ricamo: Guida alle Esperimentazioni di Fisica Ed. Ambrosiana, Milano
E. Perucca: Fisica Generale e Sperimentale UTET, Torino
F.Tyler: A Laboratory Manual of Physics E.Arnould, London
slides delle lezioni
PROGRAMMAZIONE DEL CORSO
Argomenti
Riferimenti testi
1
tutti gli argomenti
trattati
Taylor e Loreti
2
Piano inclinato
Ricamo 6.2 p. 89; Perucca ~ pp. 192, 214, 219, 224, 263, 497
3
Dispositivo di
Fletcher
Ricamo ~ 6.2 p. 90; Perucca ~ pp. 225, 265
4
Macchina di
Atwood
Ricamo ~ 6.2 p. 90 ; Perucca ~ pp. 224, 277, 308, 345
5
Pendolo semplice
Ricamo ~ 6.3 p. 100; Perucca ~ pp. 193, 275; Tyler ~ p. 22
6
Pendolo fisico
piano (o pendolo
composto)
Ricamo ~ 6.3 p. 99; Perucca ~ p. 313; Tyler ~ p. 24
7
Pendolo sferico e
su arco
Ricamo ~ 6.6 p. 110; Tyler ~ p. 28
8
Sferometro
Ricamo ~ 3.2 p. 35; Perucca ~ p. 45; Tyler ~ p. 68
9
Pendolo di torsione
Ricamo ~ 5.8 p. 82; Tyler ~ p. 42
10 Ago di Maxwell
Tyler ~ p. (44), [34]
11 Molle
Ricamo ~ 5.1 p. 69; 6.9 p. 122; Perucca ~ pp. 38, 391, 378, 384; Tyler ~ p.
18
12 Momento d’inerzia
di un volano
Ricamo ~ 6.7 p. 113 Perucca ~ p. 307 Tyler ~ p. 34
13 Energia cinetica di
rotazione
Perucca ~ p. 309; Tyler ~ p. 32
14 Quinconce di
Galton
Giornale di Fisica XIX (1978), p. 54;
http://cirdis.stat.unipg.it/files/macchina_galton/macchina_galton/index.html
15 Calorimetro delle
mescolanze di •
Regnault
Ricamo ~ 8.10 p. 167; Perucca ~ p. 659
16 Propagazione del
calore in una
sbarra omogenea
Perucca ~ p. 680
17 Picnometro
Ricamo ~ 4.8 p. 60; Perucca ~ pp. 86, 88; Tyler ~ p. 12
18 Bilancia di MohrWestphal
Ricamo ~ 4.9 p. 62 • Perucca ~ p. 88
19 Sedimentazione
Ricamo ~ 7.15 p. 150 • Perucca ~ p. 493 Tyler ~ p. 64
20 Viscosimetro di
Ostwald
Ricamo ~ 7.12 p. 146 • Perucca ~ pp. 374, 486
21 Tensione
superficiale
Ricamo ~ 7.6 p. 133 Perucca ~ pp. 436, 451 Tyler ~ p. 58
22 Tubo di Venturi
Ricamo ~ 7.8 p. 136 Perucca ~ pp. 474, 478
23 Verifica delle leggi
dei gas
Ricamo ~ 8.7 p. 163; 8.8 p. 164 • Perucca ~ pp. 616, 618, 644
24 Esperienza di
Clement-Desormes
Perucca ~ p. 704 Tyler ~ p. 140
25 Tubo di Kundt
Ricamo ~ 9.2 p. 180; Perucca ~ pp. 522, 579, 705 • Tyler ~ p. 110
MATERIALE DIDATTICO
http://studium.unict.it/
http://cms.ct.infn.it/~tuve
Gruppo chiuso Facebook del corso M-Z: Laboratorio di fisica 1 (M-Z) AA 2015-16
Gruppo chiuso Facebook per i corsi A-L e M-Z: Laboratorio di Fisica I AA 2015-16
PROVA D'ESAME
MODALITÀ D'ESAME
Gli studenti saranno divisi in gruppi ( max 4 persone), ciascuno dei quali sarà impegnato su 4 esperienze
di laboratorio secondo un calendario che verrà reso disponibile entro il mese di dicembre.
Ogni gruppo potrà scegliere un’esperienza (As) dalla tabella A e un’esperienza (Bs) dalla tabella B, avendo
cura di fare scelte diverse da quelle degli altri gruppi. Nel caso in cui non si raggiungesse un accordo,
sarà il docente a dirimere le controversie.
Le rimanenti due esperienze (A1, A2) saranno assegnate dall’insegnante, prendendole dalla tabella A.
Ogni gruppo avrà tempo di acquisire i dati relativi alla sua esperienza a scelta As entro la fine del primo
periodo didattico (fine gennaio). Prima dell’inizio del secondo periodo didattico (primi di marzo) dovrà
consegnare una relazione (unica per il gruppo) su detta esperienza As. Tali relazioni verranno corrette e
discusse con gli studenti, che riceveranno tutte le indicazioni e i suggerimenti richiesti anche nella fase di
acquisizione ed elaborazione dei dati. Questa relazione non riceverà una valutazione ai fini dell’esame
Durante il secondo periodo didattico, gli studenti saranno impegnati sulle altre tre esperienze, secondo il
calendario che sarà loro fornito. In questa fase le indicazioni dell’insegnante riguarderanno solo questioni
generali; ogni gruppo dovrà lavorare autonomamente, facendo tesoro di quanto appreso già con la prima
esperienza.
La prova finale, alla quale si è ammessi se sono stati assolti gli obblighi di frequenza, è composta da una
prova pratica e una prova orale
Per potere sostenere l’esame, ogni studente dovrà consegnare una relazione individuale relativa
all’esperienza a scelta Bs, nella quale l’analisi dei dati sarà limitata alle sole considerazioni riguardanti le
incertezze nelle misure dirette e indirette. Alla relazione non sarà assegnato un voto, ma nel caso che
non venga ritenuta sufficiente dovrà essere discussa con il docente ed eventualmente ripresentata prima
di poter sostenere l’esame; verrà inoltre tenuta in considerazione ai fini dell’eventuale assegnazione
della lode.
Lo studente per conto proprio sosterrà una prova pratica di laboratorio su un’esperienza sorteggiata tra
le due (A1 o A2) assegnate dal docente al suo gruppo. Su tale esperienza consegnerà una relazione con
un’analisi dei dati completa, che verrà discussa durante il successivo esame orale.
La prova orale consiste nella discussione della relazione e nella discussione teorico-pratica degli
argomenti di laboratorio svolti durante l'anno.
Tabella A
Piano inclinato
Dispositivo di Fletcher
Macchina di Atwood
Pendolo semplice (piccole oscillazioni)
Pendolo semplice (grandi oscillazioni)
Pendolo fisico piano
Pendolo sferico e su arco
Pendolo di torsione
Ago di Maxwell
Oscillazioni di una molla
Momento d’inerzia di un volano
Energia cinetica di rotazione
Tabella B
Pendolo reversibile di Kater
Calorimetro delle mescolanze di Regnault
Propagazione del calore in una sbarra omogenea
Picnometro
Bilancia di Mohr-Westphal
Sedimentazione
Viscosimetro di Ostwald
Tensione superficiale
Tubo di Venturi
Verifica delle leggi dei gas
Esperienza di Clement-Desormes
Tubo di Kundt
DATE D'ESAME
Date di esame:
2 febbraio
23 Febbraio
28 Giugno
19 Luglio
13 Settembre
27 Settembre
Appello straordinario per fuori corso e ripetenti
22 Marzo
PROVE DI FINE CORSO
-vengono discussi gli argomenti del corso, per verificare la capacità di comprendere e collegare i vari
argomenti trattati durante le lezioni;
-viene discussa la relazione di laboratorio per verificare la comprensione delle problematiche
sperimentali e l'acquisita capacità di realizzare semplici esperienze di fisica classica
allo scopo di accertare il raggiungimento degli obiettivi formativi.