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 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.

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 i periodi di lezioni in Aula NON si svolgono esercitazioni in Laboratorio. Durante i periodi di esercitazione in Laboratorio si possono svolgere alcune lezioni in Aula.

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.

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.

La frequenza in laboratorio è 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.

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 (22 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 (12 ore fontali e in 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 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 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. slides delle lezioni

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

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 all’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

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 7 / 20 giorni dopo la prova pratica.

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

N.B. Questa lista non significa in nessun modo che queste saranno tutte o anche solo alcune delle domande che verrano proposte agli studenti durante la prova orale.