Laboratorio di Fisica, CTC, AA 2020-21, Flavio Gatti
Fisica Generale
Introduzione
Flavio Gatti - DiFi,
mail: flavio.gatti@unige.it
Laboratorio di Fisica, CTC, AA 2020-21, Flavio Gatti
Programma del corso si divide in Meccanica, Termodinamica, Elettromagnetismo e Ottica.
Meccanica.
Moti e Forze: velocità, accelerazione, massa, forze, principali tipi di moto, sistemi di riferimento e leggi di Newton, campi di forze, forza di gravitazione universale, moti dei pianeti. Lavoro ed Energia: lavoro
meccanico, energia potenziale e cinetica. Legge di conservazione dell'energia meccanica e forze conservative.
Dinamica dei sistemi: centro di massa, quantità di moto, momento angolare, momento torcente, conservazione della quantità di moto e del momento angolare. Applicazioni ai solidi rigidi ed elastici:
momento di inerzia, urti, energia rotazionale, energia interna. Applicazioni ai fluidi: idrostatica e moto dei fluidi, regimi di moto, legge di conservazione dell'energia, fluidi viscosi.
Termodinamica.
Rappresentazione microscopica dei sistemi idrostatici: teoria cinetica dei gas ideali, pressione, energia interna, temperatura. Calore e generalizzazione della conservazione dell'energia, primo pricipio della termodinamica. Macchine termiche, ciclo di Carnot, temperatura assoluta, secondo principio della termodinamica, entropia.
Elettromagnetismo
Elettrostatica: carica elettrica e forza elettrostatica, campo elettrostatico, potenziale, capacità, dielettrici.
Forza elettromotrice, correnti elettriche, resistenza, circuiti e leggi sui circuiti, circuito RC. Magnetostatica:
forze magnetiche, campo magnetico e correnti elettriche, forza elettromotrice indotta, induttanza,
diamagnetismo e paramagnetismo, ferromagnetismo, proprietà magnetiche della materia. Circuiti RL. Le equazioni di Maxwell e le onde elettromagnetiche
Ottica.
Ottica geometrica: principi, riflessione, rifrazione, lenti, microscopio, telescopio. Ottica ondulatoria: principi, interferenza, diffrazione, spettrometri a diffrazione.
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Modalità.
Il corso è svolto con lezioni frontali ed esercitazioni in aula sugli argomenti indicati nel
programma. Dimostrazioni sperimentali in aula a supporto delle lezioni teoriche potranno essere svolte secondo le disponibilità e le possibilità degli ausili alla didattica. I testi consigliati sono il riferimento base per lo studio e le esercitazioni. Gli argomenti svolti nelle lezioni frontali saranno pubblicati in forma di appunti sul sito aula-web.
Testi di riferimento.
Fondamenti di Fisica. Un approccio strategico. R.D.Knight, B.Jones, S.Field. Edizione italiana di R.
Maioli. Ed. PICCIN (pagine 904)
Fondamenti di Fisica (Meccanica, Onde, Termodinamica, Elettromagnetismo, Ottica) D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Ed. CEA (pagine 1024).
Fisica Generale. Principi e Applicazioni. A. Giambattista. Ed. Italiana di P. Mariani, A.Orecchini, F.Spinozzi. Ed. Mc Graw Hill (pagine 650 + 104 di esercizi) ß
Fisica, U Gasparini, M. Margoni, F. Simonetto. Ed. Piccin (pagine 813) ß
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Modalità.
Il corso è svolto con lezioni frontali ed esercitazioni in aula sugli argomenti indicati nel programma.
Dimostrazioni sperimentali in aula a suporto delle lezioni teoriche potranno essere svolte secondo le
disponibilità e le possibilità degli ausili alla didattica. I testi consigliati sono il riferimento base per lo studio e le esercitazioni. Gli argomenti svolti nelle lezioni frontali saranno pubblicati in forma di appunti sul sito
aulaweb.
Testi di riferimento.
Fondamenti di Fisica. Un approccio strategico. R.D.Knight, B.Jones, S.Field. Edizione italiana di R. Maioli. Ed.
PICCIN (pagine 904)
Fondamenti di Fisica (Meccanica, Onde, Termodinamica, Elettromagnetismo, Ottica) D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Ed. CEA (pagine 1024).
Fisica Generale. Principi e Applicazioni. A. Giambattista. Ed. Italiana di P. Mariani, A.Orecchini, F.Spinozzi. Ed.
Mc Graw Hill (pagine 650 + 104 di esercizi) ß
Fisica, U Gasparini, M. Margoni, F. Simonetto. Ed. Piccin (pagine 813) ß
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Prova parziali
esercizi e quiz/domande di teoria sugli argomenti svolti:
1. meccanica-termodinamica (MT)
2. elettromagnestismo-ottica (EMO) à potrebbe coincidere con il primo appello di esami a giugno Il voto conseguito è valido come voto di esame.
Esami
esercizi e quiz/domande di teoria su:
1 meccanica-termodinamica (MT) 2 elettromagnestismo-ottica (EMO)
Lunedi, Martedì, Mercoledì, Giovedì, Venerdì dalle 14 alle 15 compatibilmente con gli altri impegni didattici. Si richiede di concordare un appuntamento via mail a: flavio.gatti@unige.it.
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Il Metodo Scientifico Il Metodo Scientifico
Galileo Galilei 1564-1642
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Il Metodo Scientifico
La Scienza si prefigge di conoscere la Realtà.
Nell’accezione classica dell’epistemologia si possono definire due processi (metodi) con cui si ottengono nuove conoscenze
Galileo per primo affronta con chiarezza questo problema del metodo conoscitivo scientifico sottolineando che
Metodo Induttivo
Partendo da una serie di osservazione sperimentali particolari si formula
una legge generale che le descrive tutte
Metodo Deduttivo
Partendo da una legge generale o un postulato si deduce (predice) l’esistenza
di un particolare fenomeno
I risultati delle Osservazioni
Sperimentali servono a formulare (indurre) leggi generali
Le leggi generali vengono
utilizzate per predire(dedurre)
fenomeni non ancora osservati
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Il ruolo dell’Osservazione Sperimentale
I disegni delle osservazioni del sole di Galileo con i primi cannocchiali da lui stesso
perfezionati messe in sequenza in modo da realizzare un filmato (Ringr. Prof. A. Bettini
Univ. Padova)
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N
ella “Istoria e dimostrazioni sopra le macchie solari” e scritti successivi, Galilei fa una analisi approfondita delle macchie solari. L’osservazione di macchie sul sole viene riportate in diverse cronache che risalgono perfino a Carlo Magno nell’800 D.C. Poiché la dottrina dell’epoca riteneva il cielo fosse immutabile e incorruttibile, queste vennero associate all’ombra di pianeti che passavano tra la terra e il sole.G
alilei utilizza il telescopio in modo originale: non osserva il sole direttamente ponendo l’occhio sull’oculare ma proietta l’immagine che esce dalla lente piano concava su un foglio di carta in una camera oscura. Così Galilei poteva segnare con accuratezza la posizione e la forma delle macchie giorno per giorno. Fece una osservazione per 35 giorni consecutivi dal 2 giugno all’8 luglio del 1612. Si tratta della prima osservazione sistematica del sole che é mostrata in sequenza animata (pagina precedente).C
on dimostrazioni di tipo geometrico deduce che le macchie non possono essere pianeti perché la velocità apparente di movimento sul disco solare sarebbe costante. Invece le macchie solari si muovono lentamente quando sono al bordo e più velocemente quando sono al centro. Osservò che le macchie si comportano come nuvole che cambiano forma, dividendosi o fondendosi, e hanno una luminosità più elevata di quella dell’ombra dei monti sulla luna. Esse si presentano tra 30 gradi nord e 30 gradi sud. Se fossero stati pianeti, il transito sarebbe stato di qualche ora invece di due settimane. Osservò anche la presenza di macchie più chiare che ora conosciamo come brillamenti (flare). Anche queste ultime hanno lo stesso moto delle macchie. Pertanto deduce che le macchie sono sulla superficie del sole e partecipano al moto del sole. Calcola cosi il periodo di rotazione del sole. Intuisce che il sole appare fluido.L
a notevole capacità osservativa per mezzo di strumenti, la classificazione metodica delle osservazioni, la formulazione di ipotesi, la realizzazione di modelli o calcoli geometrici e il confronto del risultato con le osservazioni è il processo che sta alla base del metodo scientifico che Galilei per primo descrive con chiarezza e applica rigorosamente.Fisica Generale, CTC, AA 2021-22, Flavio Gatti
L’importanza dello Strumento nell’Osservazione Sperimentale
L
o strumento, o più in generale, l’apparato sperimentale è fondamentale per eseguire l’osservazione e per misurare le grandezze fisiche.I
l Cannocchiale originale di Galileo era composto di un tubo principale e di due sezioni minori nelle quali sono sistemati l'obiettivo e l'oculare. Il tubo principale, formato da due tubi semicircolari tenuti insieme da un filo di rame, è ricoperto di carta. L'obiettivo misura 51 mm di diametro, è biconvesso, ma i raggi di curvatura delle superfici delle due facce non sono uguali; la distanza focale è di 1330 mm, lo spessore al centro di 2,5 mm. L'oculare è piano-concavo e misura 26 mm di diametro; il lato concavo, in direzione dell'occhio, ha un raggio di curvatura di 48,5 mm; lo spessore al centro è di 3,0 mm, la distanza focale di -94 mm (la distanza focale negativa indica che si tratta di una lente divergente). Questo strumento può ingrandire gli oggetti di 14 volte e ha un campo visivo di 15'.I
l principe Federico Cesi, fondatore dell'Accademia dei Lincei, propose nel 1611 di denominare "telescopio"[dal greco tele (lontano) e scopeo (vedo)] questo strumento.
Galileo concepì ingegnosi accessori per i diversi impieghi del cannocchiale: il micrometro, anzitutto, fondamentale per misurare le distanze tra Giove e i suoi satelliti, e l'elioscopio, che consentiva di osservare le macchie solari col cannocchiale senza subire danni agli occhi. (Rif. Museo Galileo)
(Ringraz.- Museo Galileo - Istituto e Museo di Storia della Scienza · Piazza dei Giudici 1 · 50122 Firenze)
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Il ruolo dell’Osservazione Sperimentale
Filmato del sole osservato con il moderno satellite SOHO (NASA) 400 anni dopo (ringr.
https://www.nasa.gov/mission_pages/soho/overview/index.html)
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G alilei afferma nei suoi scritti che la matematica è il linguaggio dell’Universo e che questo è come un “libro” in cui i caratteri sono le figure geometriche e la matematica. Senza questi è “un aggirarsi per un oscuro labirinto”.
Il Saggiatore, Galileo Galilei, 6.
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Nel 1586, a 22 anni, in un trattato descrive uno strumento di sua ideazione per misurare i pesi specifici. Nel 1589 nelle Meccaniche definisce per primo definisce peso, momento, peso specifico e lavoro.
Notò che non è vero che i corpi cadono con velocità proporzionale al loro peso, come affermato dalla dottrina vigente. In una disanima del problema della caduta dei corpi, dimostra che la legge per cui i corpi cadono con velocità proporzionale al peso, finisce in contraddizione se si esamina il caso del corpo composto da uno di grande massa M collegato a uno di piccola massa m. Il corpo composto dalla somma dei due dovrebbe cadere con velocità più bassa del corpo di massa M perché frenato dal corpo di massa m. Viceversa si può affermare che il corpo composto avendo massa M+m cadrebbe a velocità maggiore del corpo di massa M.
Questa dimostrazione conduce ad una assurdo: ovvero la previsione che ne scaturisce viola gli stessi assunti della teoria. L’unico modo per evitare ciò é ipotizzare che i corpi cadano allo stesso modo qualunque sia il loro peso.
Per studiare il tipo di moto, Galilei pensò che bisognasse rallentare, la caduta
altrimenti non avrebbe potuto misurare con la necessaria accuratezza le
caratteristiche del moto. Comprese che il piano inclinato su cui fare scorrere
piccole sfere metalliche che subissero poco effetto di freno da parte dell’aria,
era una soluzione. Oggi sappiamo calcolare con facilità attraverso la descrizione
vettoriale delle forze che il moto di caduta è determinato dall'applicazione di una
frazione della forza peso proporzionale al seno dell’angolo di inclinazione del
piano.
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G
alileo stabilì la cosiddetta regola dei numeri dispari. Un corpo in caduta percorre:“1 spanna nel primo intervallo di tempo”
“3 spanne nel secondo identico intervallo di tempo”
“5 spanne nel terzo identico intervallo di tempo”
“7 spanne nel quarto identico intervallo di tempo”
G
alileo arrivò a queste misure mettendo sul piano inclinato dei campanelli che la pallina colpisce e li dispose a distanze tali che il loro suono fosse isocrono, ovvero suonassero a intervalli di tempo identici e regolari come avviene per il pendolo.I
dati trovati definiscono la legge del moto uniformemente accelerato. Infatti, poiché la somma dei primi n numeri dispari è pari a n2, ovvero:1+3=22, 1+3+5=32, 1+3+5+7=42
In generale si può dire che i primi k numeri dispari: 1,3,…, (2k-1), vale:
∑!"#$ (2n − 1) = k%
S
i può affermare che il corpo percorre 4 spanne in 2 intervalli di tempo, 9 spanne in 3 intervalli di tempo, 16 spanne in 4 intervalli di tempo, e in generale n2 spanne in n intervalli di tempo.In definitiva i corpi in caduta percorrono spazi proporzionali al quadrato dei tempi impiegati a percorrerli.
