LABORATORIO DI FISICA I
M - Z

Modulo DIDATTICA FRONTALE

Anno accademico 2022/2023 - Docente: Cristina Natalina TUVE'

Risultati di apprendimento attesi

Il corso è il primo insegnamento di Laboratorio e di Statistica che gli studenti frequentano dopo l'iscrizione al corso di Studi in Fisica.

Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti le basi del metodo sperimentale e le tecniche di analisi dei dati sperimentali.

Per ottenere tale obiettivo  il numero di ore che lo studente frequenta il laboratorio è di 90 ore. Durante l'esecuzione delle esperienze lo studente è seguito dal docente e da un tutor. Inoltre, la presenza costante del tecnico di laboratorio rende le esperienze sempre fruibili e gli strumenti sempre funzionanti.
Alla fine del percorso di insegnamento lo studente sarà in grado di

  • Comprendere i fenomeni meccanici e termici in maniera sperimentale, pratica e operativa.
  • Essere capaci di effettuare misure di proprietà fisiche
  • Acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento delle apparecchiature, metodi generali, e attitudini mentali utili a investigare fenomeni meccanici e termici anche diversi da quelli già proposti nel corso o sui loro hanno effettuato misure.
  • Acquisire conoscenza di base e abilità utili alla progettazione di dispositivi nuovi nello stesso campo.
  • Acquisire capacità di analizzare correttamente dati sperimentali e di produrre una relazione scientifica che descriva l' esperimento eseguito, riporti i suoi risultati e li sappia interpretare.
  • Acquisire la capacità di comunicare i risultati di un esperimento e/o di una misura scientifica in maniera corretta, esaustiva, chiara e efficace.

Inoltre, in riferimento ai  Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

  • Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
  • Capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali.
  • Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.
  • Capacità di montare e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure termomeccaniche
  • Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.

Capacità di applicare conoscenza:

  • Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
  • Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti in tutte le aree di interesse della fisica, incluse quelle con implicazioni tecnologiche.

Autonomia di giudizio:

  • Capacità di ragionamento critico.
  • Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
  • Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
  • Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.

Abilità comunicative:

  • Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
  • Capacità di descrivere in forma scritta, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'insegnamento è suddiviso in lezioni frontali, che si terranno nella prima parte del corso, ed esperimenti da fare in laboratorio nella seconda parte.

Le ore frontali sono dedicate al metodo di misura, analisi dati ed elementi di statistica.  Sono previste esercitazioni durante le ore frontali allo scopo di  preparare gli studenti ad eseguire correttamente le esperienze di laboratorio che faranno nella seconda parte dell'insegnamento.

6 CFU (corrispondenti a 7 ore ciascuno) sono dedicati  a lezioni in Aula, per un totale di 42 ore, e 6 CFU (corrispondenti a 15 ore ciascuno) sono dedicati a esercitazioni in Laboratorio, per un totale di 90 ore. Il corso, di 12 CFU, comprende quindi complessivamente a 132 ore di attività didattiche.

Durante il corso saranno programmate visite guidate ai Lavoratori Nazionali del Sud e agli Enti di Ricerca che lavorano presso il Dipartmento di Fisica e Astronomia

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

Conoscenze di base di Matematica (elementi di analisi) e di Fisica 1.

È utile, e quindi fortemente consigliato, avere superato gli esami o aver studiato Fisica 1 e Analisi Matematica

Frequenza lezioni

La frequenza in laboratorio è obbligatoria.

La frequenza alle lezioni frontali è di norma obbligatoria.

Durante il laboratorio sono raccolte firme di presenza.

L’assenza ingiustificata a piu’ del 25% delle esercitazioni di laboratorio escludera’ lo studente dalla possibilità di dare l'esame in quell'anno accademico.
Le lezioni in Aula si tengono di norma 3 volta la settimana, 2 ore ciascuna lezione.
Le sedute in Laboratorio si tengono di norma 3 volte la settimana, 2 ore ciascuna seduta.

Contenuti del corso

Il corso è di 12 crediti. 132 ore di didattica tra lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio.

In particolare sono previste 42 ore di lezione in aula e 90 ore di esercitazioni guidate in laboratorio che comprendono sia la descrizione dei diversi esperimenti presenti in laboratorio che la presa e analisi dei dati 

Analisi dei dati sperimentali e cenni di Statistica

  • 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)
  • Eventi casuali,variabili aleatorie- Definizione classica, frequentista e assiomatica di probabilità - probabilità totale,  probabilità condizionata,probabilità composta
  • Popolazione statistica - campionamento - legge dei grandi numeri - speranza matematica per variabili casuali discrete e continue - densità di probabilità - momenti - teorema del limite centrale
  •  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.
  •  Il criterio di massima verosimiglianza.
  •  Distribuzioni di probabilità: t-student , Binomiale ,  Poisson, χ2
  • Test del chi-quadro.
  •  Grafici e relazioni funzionali

Descrizione delle esperienze di laboratorio (12 ore fontali e in laboratorio)

Esperienze in laboratorio (78 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. R. Bevington: Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences
  4. Roberto Piazza "I capricci del caso", Springer e Verlag, 2009
  5. slides delle lezioni \ dispense docente

TESTI CONSIGLIATI per la descrizione degli strumenti ed esperimenti

  1. R. Ricamo: Guida alle Esperimentazioni di Fisica Ed. Ambrosiana, Milano
  2. E. Perucca: Fisica Generale e Sperimentale UTET, Torino
  3. F.Tyler: A Laboratory Manual of Physics E.Arnould, London
  4. slides delle lezioni \dispense docente

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1tutti gli argomenti trattatiTaylor e Loreti
2Piano inclinatoRicamo 6.2 p. 89; Perucca ~ pp. 192, 214, 219, 224, 263, 497
3Dispositivo di FletcherRicamo ~ 6.2 p. 90; Perucca ~ pp. 225, 265
4Macchina di AtwoodRicamo ~ 6.2 p. 90 ; Perucca ~ pp. 224, 277, 308, 345
5Pendolo sempliceRicamo ~ 6.3 p. 100; Perucca ~ pp. 193, 275; Tyler ~ p. 22
6Pendolo fisico piano (o pendolo composto)Ricamo ~ 6.3 p. 99; Perucca ~ p. 313; Tyler ~ p. 24
7Pendolo sferico e su arcoRicamo ~ 6.6 p. 110; Tyler ~ p. 28
8SferometroRicamo ~ 3.2 p. 35; Perucca ~ p. 45; Tyler ~ p. 68
9Pendolo di torsioneRicamo ~ 5.8 p. 82; Tyler ~ p. 42
10Ago di MaxwellTyler ~ p. (44), [34]
11MolleRicamo ~ 5.1 p. 69; 6.9 p. 122; Perucca ~ pp. 38, 391, 378, 384; Tyler ~ p. 18
12Momento d’inerzia di un volanoRicamo ~ 6.7 p. 113 Perucca ~ p. 307 Tyler ~ p. 34
13Energia cinetica di rotazionePerucca ~ p. 309; Tyler ~ p. 32
14Quinconce di GaltonGiornale di Fisica XIX (1978), p. 54; http://cirdis.stat.unipg.it/files/macchina_galton/macchina_galton/index.html
15Calorimetro delle mescolanze di • RegnaultRicamo ~ 8.10 p. 167; Perucca ~ p. 659
16Propagazione del calore in una sbarra omogeneaPerucca ~ p. 680
17PicnometroRicamo ~ 4.8 p. 60; Perucca ~ pp. 86, 88; Tyler ~ p. 12
18Bilancia di Mohr-WestphalRicamo ~ 4.9 p. 62 • Perucca ~ p. 88
19SedimentazioneRicamo ~ 7.15 p. 150 • Perucca ~ p. 493 Tyler ~ p. 64
20Viscosimetro di OstwaldRicamo ~ 7.12 p. 146 • Perucca ~ pp. 374, 486
21Tensione superficialeRicamo ~ 7.6 p. 133 Perucca ~ pp. 436, 451 Tyler ~ p. 58
22Tubo di VenturiRicamo ~ 7.8 p. 136 Perucca ~ pp. 474, 478
23Verifica delle leggi dei gasRicamo ~ 8.7 p. 163; 8.8 p. 164 • Perucca ~ pp. 616, 618, 644
24Esperienza di Clement-DesormesPerucca ~ p. 704 Tyler ~ p. 140
25Tubo di KundtRicamo ~ 9.2 p. 180; Perucca ~ pp. 522, 579, 705 • Tyler ~ p. 110

VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Modalità di verifica dell'apprendimento

Gli studenti da gennaio a giugno eseguiranno (in gruppi di 3 o 4 persone) la presa e l’analisi dei dati di alcune esperienze presenti in laboratorio assistiti dal docente.

Ogni gruppo sarà impegnato su 6 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 quattro esperienze (A1, A2, A3, A4) saranno assegnate dall’insegnante, prendendole dalla tabella A

Ogni gruppo avrà tempo di acquisire i dati relativi dell’esperienza scelta As entro la fine del primo periodo didattico (fine gennaio). Subito dopo la fine del primo periodo didattico (metà Febbraio) dovrà consegnare una relazione (unica per il gruppo) su detta esperienza As.

Questa relazione costituirà la prova in itinere.

Tali relazioni saranno corrette e discusse con gli studenti in aula alla ripresa delle lezioni del secondo periodo didattico; gli studenti riceveranno tutte le indicazioni e i suggerimenti richiesti anche nella fase di acquisizione ed elaborazione dei dati.

Durante il secondo periodo didattico, gli studenti saranno impegnati sulle altre cinque 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. Inoltre tutti gli studenti dovranno prendere i dati  dell’esperimento di Galton ed elaborarli. I risultati saranno discussi in aula.

Lo studente iall’esame sosterrà una prova pratica individuale di laboratorio su un’esperienza sorteggiata tra le quattro (A1, A2, A3, A4), assegnate dall’insegnante al suo gruppo. Su tale esperienza consegnerà una relazione con un’analisi dei dati completa, che verrà discussa durante l’esame orale.

Prova orale: verte su tutti gli argomenti del corso e sulle esperienze spiegate dal docente durante il corso, anche se non si sono fatti esperimenti su queste. Ci sarà una ampia e dettagliata discussione sulla relazione presentata

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

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

DATE D'ESAME

Di norma, vengono fissati 7 appelli in ogni Anno Accademico; consultare il Calendario di Esami del Corso di Laurea Triennale in Fisica: http://www.dfa.unict.it/corsi/L-30/esami .

Per quanto illustrato sopra, tali date si riferiscono esclusivamente alla prova pratica.  Considerando la preparazione della relazione di laboratorio e la correzione da parte del docente, l'orale sarà fatto circa 15 /20 giorni dopo la prova pratica.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi.

Matrice di covariaza, propagazione degli errori nelle misure indirette, test del Chi-quadro, domande sulla tesina di laboratorio presentata.

NB: questa lista non significa in nessun modo che queste saranno tutte o solo alcune delle domande che verranno proposte agli studenti durante la prova orale.