Fisica e Statistica

Insegnamento:
Fisica e Statistica
Physics and Statistic
Docente
Prof. Carlo Sabbarese
Anno
2° anno
Corso di studi
Corso di laurea in Scienze Biologiche
Tipologia
Attività di base
Crediti
9
SSD
FIS/07
Anno Accademico
2016/2017
Periodo didattico
Primo semestre
Propedeuticità
Matematica
Frequenza
Obbligatoria solo per le attività di laboratorio
Modalità di esame
Prova scritta e orale
Sede
Polo Scientifico, Via Vivaldi 43 – Caserta – DISTABIF
Organizzazione della
didattica
Lezioni frontali, esercitazioni, attività pratiche in laboratorio
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di fare acquisire allo studente i concetti fondamentali della fisica classica,
della statistica e del metodo scientifico. Introduce lo studente all’elaborazione statistica dei
dati sperimentali, allo svolgimento di esercizi basilari sugli argomenti trattati e alla
valutazione degli errori connessi a una misura diretta ed indiretta. Le attività di laboratorio
che vengono svolte sono utili applicazioni di concetti di fisica e di analisi dei dati.
The course aims at making the student the fundamental concepts of classical physics,
statistical and scientific method. It introduces the student statistical processing of the
experimental data, the performance of basic exercises on the topics covered and the
assessment of the errors related to direct and indirect measurement. Laboratory activities
that are carried out are useful concepts of physics and data analysis applications.
Prerequisiti
Conoscenze e abilità fornite dal corso di Matematica
Knowledges and skills furnished by the course of Mathematics
Contenuti del corso
Grandezza fisica e metodo scientifico. Analisi vettoriale, moti in una e due dimensioni,
principi della dinamica e principi di conservazione. I principi e leggi più importanti della
statica e dinamica dei fluidi, della termodinamica, dell’elettricità e del magnetismo. Nozioni
principali di analisi di dati, di statistica e di probabilità. Stima delle incertezze di misura ed
esperimenti di laboratorio.
The physical quantity and the scientific method. Vector analysis, motion in one and two
dimensions, principles of dynamics and conservation principles. The most important
principles and laws of statics and fluid dynamics, thermodynamics, electricity and magnetism.
Main concepts of data analysis, statistics and probability. Estimation of measurement
uncertainties and realization of experiments in the laboratory.
Programma dettagliato Meccanica del punto materiale
Il metodo scientifico. Grandezze fisiche e loro dimensioni. Ordini di grandezza. Grandezze
scalari e vettoriali. Operazioni con i vettori. Punto materiale. Traiettoria. Velocità.
Accelerazione. Moti unidimensionali. Moto naturalmente accelerato. Moto circolare
uniforme. Moto parabolico. Sistemi inerziali. Forze e loro misura. Massa. I principi della
dinamica. Dinamica del moto curvilineo. Forze reali e fittizie. Teorema della quantità di moto.
Sistemi isolati. Conservazione della quantità di moto. Momento di una forza rispetto ad un
punto e ad un asse. Momento angolare. Teorema del momento angolare. Corpi rigidi ruotanti
intorno ad un asse. Momento d’inerzia. Centro di massa. Leve.
Lavoro ed energia; forze gravitazionali, elettriche, elastiche, di attrito. Lavoro di una forza.
Teorema dell'energia cinetica. Potenza. Forze conservative. Conservazione dell'energia. Corpi
elastici e legge di Hooke. Campo gravitazionale.
Meccanica dei fluidi
Pressione, densità, peso specifico. Liquidi e aeriformi. Principio di Pascal. Legge di Stevino.
Principio di Archimede e applicazioni. Misure di pressione. Linee di flusso. Campo vettoriale.
Equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e applicazioni. Liquidi reali. Regime di
Poiseuille. Legge di Hagen-Poiseuille. Sedimentazione. Centrifugazione. Pressione arteriosa.
Termodinamica
Sistemi termodinamici. Energia interna. Stati di aggregazione. Trasporto dell'energia.
Principio zero. Termometri. Gas perfetto. Scale termodinamiche. Equazioni di stato.
Dilatazione. Calore. Calore specifico e capacità termica. Calorimetri. Passaggi di stato.
Esperienza di Joule. Il primo principio della termdinamica. Piano di Clapeyron. Energia interna
dei gas perfetti. Isoterme. Calori specifici molari. Adiabatiche. Conversione dell'energia.
Enunciati del secondo principio della termodinamica. Equivalenze fra i due enunciati. Processi
reversibili e macchine termiche. Rendimento. Macchina frigorifera. Ciclo di Carnot.
Temperatura termodinamica assoluta. Entropia. Entropia dell'universo.
Elettricità e magnetismo
Fenomenologia. Isolanti e conduttori. Conservazione della carica. Campo elettrico. Legge di
Coulomb. Potenziale elettrostatico. Legge di Gauss e applicazioni. Capacità e condensatori.
Energia del campo elettrico. Dipolo elettrico. Corrente elettrica. Resistenza e resistività. Legge
di Ohm. Resistenze in serie e in parallelo. Amperometro. Voltmetro. Ohmetro. Forza
elettromotrice. Campo magnetico. Forza di Lorentz. Moto di una carica in un campo
magnetico. Campo magnetico di un filo percorso da corrente.
Elementi di statistica ed analisi dei dati.
Strumenti di misura: portata, sensibilità, prontezza, giustezza. Errore di sensibilità. Errore
assoluto, relativo e percentuale. Errori sistematici. Misure dirette e indirette. Cifre
significative. Rappresentazione dei dati: tabelle e grafici. Grafici con scale non lineari.
Istogrammi. Frequenza e densità di frequenza. Stime di tendenza: media e scarto quadratico
medio. Dipendenza funzionale: rette di minima e massima pendenza.
Elementi di teoria della probabilità. Variabili casuali discrete e continue. Funzioni di
distribuzione. Valori aspettati e varianza. Esempi di distribuzioni: binomiale, di Gauss, χ2
(cenni). Combinazioni lineari di variabili gaussiane. Enunciato del teorema del limite centrale.
Misure ripetute. Campionamento e inferenza. I parametri della distribuzione sperimentale
come variabili statistiche. Valore atteso e media aritmetica. Scarto quadratico medio e
varianza. Stime di parametri. Funzione di verosimiglianza. Principio di massima
verosimiglianza. Esempi di stime. Misure indirette: propagazione degli errori.
ESPERIENZE PRATICHE DI LABORATORIO
1. Misura indiretta della densità di un solido con l’uso del calibro e del picnometro.
2. Misura del calore specifico di un solido usando il calorimetro delle mescolanze.
3. Misura dell’equivalente meccanico della caloria.
Testi di riferimento
Ragozzino E., Principi di Fisica, EdiSES
D. Scannicchio, Fisica Biomedica, EdiSES
J.W. Kane M.M. Sternheim, Fisica applicata, EMSI
Filatrella G., Romano P., Elaborazione statistica dei dati sperimentali con elementi di laboratorio
EdiSES
J. R Taylor: Introduzione all’analisi degli errori, Zanichelli
M. Severi: Introduzione alla esperimentazione fisica, Zanichelli
Ragozzino E., M. Giordano, L. Milano, Problemi di Fisica, Ambrosiana
Curriculum docente: prof. Carlo Sabbarese
Attuale posizione ricoperta
Il professore Carlo Sabbarese attualmente ricopre il ruolo di Professore Associato di Fisica Applicata (a beni culturali,
ambientali, biologia e medicina, FIS/07) presso il Dipartimento di Matematica e Fisica della Seconda Università degli
Studi di Napoli.
Carriera accademica
Il professore Carlo Sabbarese ha conseguito la laurea in Fisica presso l’Università degli studi di Salerno il 26/06/1991
ed il titolo di Dottore di Ricerca in Geofisica e Vulcanologia presso l’Università degli studi di Napoli “Federico II” a
novembre 1994. Negli anni successivi, prima, è stato docente di Matematica e Fisica nelle scuole superiori; poi
borsista post-dottorato per due anni ed assegnista di ricerca per quattro anni presso il Dipartimento di Scienze
Ambientali della Seconda Università degli studi Napoli. Dal 14 gennaio 2004, in seguito a concorso, è entrato nel ruolo
di Ricercatore Universitario per il settore disciplinare di Fisica Applicata (FIS/07) presso la Facoltà di Scienze Ambientali
della SUN. Nel mese di dicembre 2013 ha conseguito l’abilitazione nazionale al ruolo di professore di seconda fascia
nel settore concorsuale 02/B3 (Fisica Applicata). In seguito a valutazione positiva, è stato chiamato dal Dipartimento di
Matematica e Fisica della SUN a ricoprire il ruolo di Professore Associato di Fisica Applicata dal 29 ottobre 2015.
Attività didattica
Il Prof. Carlo Sabbarese ha svolto attività didattica già da prima della sua immissione in ruolo; prima, presso la Facoltà
di Scienze MM. FF. NN. dell’Università degli studi di Salerno e, poi, presso le Facoltà Scienze Ambientali e di Scienze
MM.FF.NN della Seconda Università degli studi di Napoli. Dal 1992 ha ricoperto svariati incarichi didattici di
collaborazione per complementi ed esercitazioni teoriche e pratiche, di professore a contratto e supplente per corsi di
Fisica terrestre, Fisica Generale I e II, Fisica Sperimentale I e II, Fisica, Laboratorio di Fisica I, Radioattività, Radiazioni
ionizzanti e non ionizzanti e Trasporto degli inquinanti, Fisica e Statistica, Laboratorio di Fisica Moderna, Laboratorio di
Fisica III.
Responsabilità e maggiori impegni istituzionali
• Delegato del rettore della S.U.N. per la Radioprotezione d’Ateneo da novembre 2014.
• Membro commissione nazionale Progetto Lauree Scientifiche (PLS) e delegato PLS della SUN per la Fisica da luglio
2014.
• Membro commissione d’Ateneo per l’inclusione degli studenti disabili (CID) dal 2013.
• Responsabile della disabilità del dipartimento di Matematica e Fisica – SUN dal 2013.
• Membro della commissione orientamento per le attività di orientamento in Fisica presso le scuole superiori.
• Membro della commissione d’Ateneo per la certificazione di Qualità (CQA) ISO 9001-2008 dal 2009.
• Responsabile della certificazione di Qualità ISO 9001-2008 di laboratori di ricerca del CIRCE dal 2009.
• Membro della Consiglio del Dottorato di Ricerca “Metodologie Fisiche Innovative per la Ricerca Ambientale”.
• Responsabile scientifico del laboratorio didattico di Fisica della facoltà/dipartimento di appartenenza dal 2007.
• Responsabile della Radioprotezione del centro CIRCE che fa uso di un acceleratore Tandem da 3MV per varie
attività di ricerca e di servizio dal 2005.
• Responsabile scientifico del Laboratorio di Radioattività Ambientale della S.U.N. dal 2004.
• Al momento, è responsabile scientifico e/o tecnico di convenzioni per attività di ricerca e/o di servizio nell’ambito
della radioattività ambientale e della radioprotezione stipulate dal dipartimento di afferenza con la Società Toma
Abele (MT), con la Società di Gestione Impianti Nucleari (SoGIN SpA) e con la NUCLECO SpA.
Attività di ricerca
L’attività di ricerca svolta dal Prof. Sabbarese ha riguardato il campo della fisica del nucleo e della fisica delle radiazioni
ionizzanti applicate essenzialmente all’ambiente, all’uomo, all’ecologia, ai beni archeologici. L’attività di ricerca, negli
ultimi anni, si è svolta prevalentemente presso centro di ricerca CIRCE (Centre of Isotopic Research and Cultural H in
collaborazione con alcuni istituti di ricerca nazionali ed internazionali, quali il Dipartimento di Scienze Fisiche della
Università degli studi “Federico II” di Napoli, l’Istituto di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti dell’ENEA-Casaccia,
l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il DTL Laboratory della Rhur University di Bochum (Germania) e il Pacific
Northwest National Laboratory (Richland, U.S.).
All’interno del Centro di Competenza della regione Campania INNOVA è stato implementato un laboratorio integrato
di ricerche isotopiche (CIRCE) che comprende un sistema di spettrometria di massa con acceleratore (AMS), un
laboratorio di preparazione campioni, un laboratorio di spettrometria di massa convenzionale ed un laboratorio di
radioattività ambientale. Attraverso analisi qualitative e quantitative ad elevata sensibilità di radionuclidi sia artificiali
che naturali presenti in matrici di varia natura il Prof. Sabbarese ha:
a) approfondito le conoscenze nel campo del controllo e del monitoraggio della radioattività;
b) studiato i meccanismi che regolano il suo ciclo con particolare attenzione per l’uomo;
c) cura lo svolgimento di ricerche volte all’implementazione di nuove metodologie e di campagne di misura di
radioattività naturale ed artificiale;
d) eseguito ricerche isotopiche mirate allo studio di beni ambientali, archeologici e culturali.
E’ stato inoltre promotore ed ha partecipato a progetti con l’INFN relativi allo studio di reazioni nucleari importanti
nell’astrofisica nucleare e a progetti relativi all’implementazione di nuove metodologie e di campagne di misura di
radioattività naturale nonché allo sviluppo ed alla mesa a punto di un innovativo sistema di monitoraggio continuo del
Radon e del Toron e ad una Camera Radon.
E’ autore di 54 pubblicazioni su riviste internazionali, di 40 su proceedings di conferenze nazionali ed internazionali, ed
ha partecipato a molti convegni, congressi e workshop con contributi orali e poster.