LABORATORIO DI FISICA I A - L

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 di fornire agli studenti le basi per l'apprendimento del metodo sperimentale e delle tecniche di analisi dei dati sperimentali. Esso è suddiviso in lezioni frontali (42 ore) e in esercitazioni di laboratorio (90 ore).

Alla fine del corso lo studente che avrà seguito con profitto sarà in grado di effettuare misure di grandezze fisiche e presentarne i risultati in modo scientificamente corretto.

L'insegnamento è svolto mediante delle lezioni frontali, in cui si trattano gli argomenti riportati nel paragrafo "contenuti del corso", che prevedono una interazione continua con gli studenti.

Le esercitazioni pratiche di laboratorio sono condotte alla presenza del docente, del tecnico di laboratorio e di eventuali tutor (se assegnati). Fanno parte delle attività laboratoriali anche la presentazione in aula delle varie esperienze disponibili in laboratorio.

Da questo anno, faranno parte integrante del corso delle visite alle maggiori strutture di ricerca dell'area catanese. L'impegno orario di tale attività è valutato in circa tre (3) ore per ogni visita. Tale impegno orario verrà considerato al 50% nel computo delle ore di lezioni frontali e per il 50% in quelle di attività laboratoriali. Le modalità delle visite sono in corso di definizione.

Conoscenze di base di Matematica (elementi di analisi) e di Meccanica classica.

La frequenza in laboratorio è obbligatoria. L’assenza ingiustificata a più del 25% delle esercitazioni di laboratorio escluderà lo studente dall’accreditamento dei CFU relativi.

Il corso è accreditato di 12 CFU, corrispondenti a 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.

Analisi dei dati sperimentali (22 ore frontali).

- Il Metodo Scientifico.- La misura delle grandezze fisiche. Definizione operativa di una grandezza e sua misura. Grandezze fondamentali e derivate. Unità di misura e sistemi di unità di misura: il sistema internazionale ed il sistema CGS. - Presentazione delle misure e cifre significative. Analisi dimensionale di una formula e verificarne la sua correttezza - 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 )

a) 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.

b) Meccanica dei continui deformabili

Picnometro • Bilancia di Mohr-Westphal •Viscosimetro di Ostwald - Stalagmometro •Tensiometro •Tubo di Venturi • Sedimentazione.

c) 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

d) Verifica delle distribuzione di probabilità

Macchina di Galton - Verifica della distribuzione di probabilità di una grandezza caratteristica di un campione di oggetti di produzione industriale standard.

1. P. R. Bevington, D. Keith. Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences
2. A.Foti, C.Gianino: Elementi di Analisi dei dati sperimentali, Liguori, Napoli
3. M. Loreti: Teoria degli Errori e Fondamenti di Statistica, Decibel, Padova
4. R. Ricamo: Guida alle Esperimentazioni di Fisica Ed. Ambrosiana, Milano
5. E. Perucca: Fisica Generale e Sperimentale UTET, Torino
6. F. Tyler: A Laboratory Manual of Physics E.Arnould, London
7. slides e appunti delle lezioni

Gli studenti da novembre a maggio eseguiranno (in gruppi di 3 o 4 persone) la presa e l’analisi dei dati delle esperienze presenti in laboratorio assistiti dal docente. Gli esperimenti disponibili sono i seguenti.

1) Piano inclinato 2) Dispositivo di Fletcher 3) Macchina di Atwood 4) Pendolo semplice (Manuale) 5) Pendolo semplice (Automatico) 6) Pendolo fisico composto 8) Pendolo sferico 9) Pendolo su arco 10) Pendolo reversibile di Kater 11) Pendolo di torsione (Sezione costante) 12) Pendolo di torsione (Lunghezza costante) 13) Ago di Maxwell 14) Molle 15) Molle 16) Momento d'inerzia volano 17) Energia cinetica di rotazione 18) Quinconce di Galton 19) Calorimetro delle mescolanze di Regnault 20) Propagazione del calore in una sbarra omogenea (Sezione quadrata) 21) Propagazione del calore in una sbarra omogenea (Sezione circolare) 22) Propagazione del calore in una sbarra omogenea (Sbarra lunga) 23) Picnometro 24) Bilancia di Mohr-Westphal 25) Sedimentazione 27) Viscosimetro di Ostwald 28) Tensione superficiale 29) Tubo di Venturi 30) Verifica delle leggi dei gas 31) Esperienza di Clement-Desormes 32) Tubo di Kundt.

Riferirsi a quanto detto sopra.