LABORATORIO DI FISICA I M - Z

Modulo LABORATORIO

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 45 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 ed esercitazioni 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.

7CFU (corrispondenti a 7 ore ciascuno) sono dedicati a lezioni in Aula, per un totale di 49 ore, 2 CFU (corrispondenti a 30 ore) sono dedicati a esercitazioni e 3 CFU (corrispondenti a 45 ore) in Laboratorio. Il corso, di 12 CFU, comprende quindi complessivamente a 124 ore di attività didattiche.

Durante il corso saranno programmate visite guidate ai Laboratori Nazionali del Sud e agli Enti di Ricerca che lavorano presso il Dipartimento 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.

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.

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 2 volte la settimana, 3 ore ciascuna lezione.
Le sedute in Laboratorio si tengono di norma 2 volte la settimana, 3 ore ciascuna seduta.

Il corso è di 12 crediti. 124 ore di didattica tra lezioni in aula, esercitazioni e esperimenti effettuati in laboratorio.

In particolare sono previste 49 ore di lezioni frontali, 30 ore di esercitazioni su analisi dati e sulla statistica e  45 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

Ore di esercitazioni dedicate a: (30 ore frontali e in laboratorio)

• Descrizione degli strumenti di misura: nonio, calibro, palmer
• Descrizione dei dispositivi meccanici utilizzati per creare e mantenere il vuoto
• Cenni di informatica e hardware
  
• Descrizione delle esperienze di laboratorio 
• Esercitazioni di statistica
  

Esperienze in laboratorio (45 ore ):

Dinamica del punto materiale e del corpo rigido
 Piano inclinato • Dispositivo di Fletcher • Macchina di Atwood • Pendolo semplice • Pendolo composto • Pendolo sferico, sferometro • Pendolo su arco • Pendolo di torsione •Ago di Maxwell • Molle • Momento d'inerzia di un volano • Energia cinetica di rotazione • Esperimento sugli urti

Meccanica dei continui deformabili
Picnometro • Viscosimetro di Ostwald - Stalagmometro •Tensiometro •Tubo di Venturi • Sedimentazione.

Termodinamica
Calorimetro delle mescolanze di Regnault • Propagazione del calore in una sbarra omogenea • 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. 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

Gli studenti nel secondo semestre 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 alcune esperienze di laboratorio secondo un calendario che verrà reso disponibile entro la fine del primo semestre.

Tra le esperienze che gli studenti farano durante il secondo periodo didattico ci sarà anche l’esperimento di Galton. I risultati saranno discussi in aula.

Lo studente all’esame sosterrà una prova pratica individuale di laboratorio su un’esperienza sorteggiata tra le quattro (A_1, A_2, A_3, A₄), assegnate dall’insegnante al suo gruppo presenti in tabella A. 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
• Esperimento sugli urti

Tabella B

• Calorimetro delle mescolanze di Regnault
• Propagazione del calore in una sbarra omogenea
• Picnometro
• Sedimentazione
• Viscosimetro di Ostwald
• Tensione superficiale
• Tubo di Venturi
• 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 8 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.

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

Matrice di covarianza, 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.