LICEO CLASSICO SPERIMENTALE STATALE "B. RUSSELL" DI ROMA
PROGRAMMA DI LABORATORIO DI FISICA/CHIMICA PARTE FISICA Proviamo a "costruire" la fisicaLa fisica e le scienze empiriche: metodologia di indagine. Il "metodo sperimentale" e lo studio quantitativo dei fenomeni fisici; La necessità della misura: la definizione operativa delle grandezze e il ruolo fondamentale del linguaggio matematico nella scienza; Elementi di Metrologia : le grandezze fisiche, il S.I. di misura e i campioni di unità. I prefissi dei multipli e dei sottomultipli, gli ordini di grandezza e la notazione scientifica di tipo esponenziale; Gli strumenti di misurazione e le principali caratteristiche fisiche; Il problema della sicurezza nel laboratorio: norme generali di comportamento e fonti di rischio nell'attività empirica. Le tipologie di rischio: sostanze pericolose, vetreria, riscaldamento di sostanze, apparecchiature elettriche, luminose, radioattive, ecc... Introduzione alla teoria degli errori : misurazioni dirette e indirette; valor medio, incertezza assoluta, relativa e percentuale; istogrammi e forma campanulare dei diagrammi a barre nelle misure ripetute; come si presenta il risultato di un processo di misura; i calcoli approssimati e le cifre significative; La propagazione degli errori nelle misure indirette nei casi più semplici con gli operatori matematici somma, differenza, moltiplicazione, divisione, potenza e radice; I grafici cartesiani e il loro ruolo in fisica; la proporzionalità diretta, inversa e quadratica; analisi algebrica e grafica di una correlazione fra due variabili; l'importanza dei diagrammi di controllo; Come si studiano i fenomeni fisici : i modelli; Esempio di condotta di un esperimento di fisica: dall’esperimento al modello matematico (dai dati sperimentali alla legge del fenomeno e viceversa); Misurazione di grandezze fisiche fondamentali e derivate: uso di tecniche e metodi di misura; I concetti di spazio e tempo nell'ambito della fisica classica: metrica euclidea e spazio-tempo assoluto; I principali elementi che consentono lo studio delle proprietà dello spazio e del tempo: un osservatore con strumenti di misura, un oggetto con le sue proprietà fisiche e un ambiente con il suo S.R.; L'esigenza dell'uso sistematico delle definizioni operative delle grandezze fisiche: il criterio operazionale; Lo spazio e alcune proprietà geometriche che lo caratterizzano: scoperta e delimitazione degli spazi reali e astratti a 0, 1, 2 e 3 dimensioni (punto, retta, piano e spazio) mediante la creazione di un linguaggio scientifico adeguato; La definizione operativa di lunghezza, superficie e volume e la loro misurazione diretta e indiretta mediante differenti strumenti di misura; La legge di propagazione degli errori nel caso di semplici grandezze fisiche misurate indirettamente; Il tempo e alcune proprietà fisiche che lo caratterizzano: misurazione diretta e indiretta di intervalli di tempo; La definizione operativa di angolo piano, l'unità di misura radiante e le trasformazioni da gradi sessagesimali e gradi sessadecimali a radianti e viceversa; Una prima proprietà dei corpi solidi e delle sostanze: la massa e la densità assoluta come caratteristica delle sostanze; L’elasticità dei corpi e i primi modelli particellari di struttura microscopica; Introduzione al concetto di forza : punto di vista statico e deformazioni elastiche dei corpi; Massa gravitazionale e peso dei corpi; La densità assoluta e relativa; La legge dell’allungamento di una molla: vari casi di sperimentazione fisica sull’elasticità; Il peso specifico assoluto e relativo; Un primo cenno alla legge di gravitazione universale di Newton; La definizione operativa della forza; La forza come grandezza vettoriale: cenni di algebra vettoriale; Composizione vettoriale delle forze; Forze in equilibrio; Il baricentro di un corpo; L’equilibrio dei corpi appoggiati: il piano inclinato; La forza d’attrito; Le due equazioni cardinali della statica; I liquidi in equilibrio; la pressione; Unità di misura e formule di definizione; La pressione idrostatica e quella atmosferica; I vasi comunicanti, il principio di Stevino e quello di Pascal; 1. Esempio di condotta di un esperimento di fisica: misurazione diretta della lunghezza di un tavolo di laboratorio e del diametro di un cilindretto metallico mediante un'asta metrica, un calibro a corsoio ventesimale e un micrometro centesimale e applicazione concreta della Teoria degli errori nel caso di misure ripetute (*); 2. Misurazione diretta e indiretta del perimetro di una sagoma regolare e applicazione concreta della Teoria degli errori nel caso di misure singole e ripetute, nonché elaborazione statistica dei dati attraverso la determinazione del poligono delle frequenze e della curva gaussiana; 3. Misurazione diretta della superficie di un poligono mistilineo mediante il metodo della integrazione grafica su carta quadrettata di diverso reticolo, controllo del risultato ottenuto mediante misurazione indiretta e presentazione del risultato della misura mediante valutazione quantitativa dell'incertezza assoluta come semidispersione; 4. Misurazione indiretta del volume di un cilindretto metallico mediante il metodo dello spostamento d'acqua in una provetta graduata e in una buretta e confronto del risultato ottenuto mediante il metodo geometrico; 5. Misurazione diretta di intervalli di tempo mediante prove ripetute con il testo scorrevole di uno screen saver al monitor di un computer e misurazione indiretta del periodo di oscillazione di un pendolo semplice autocostruito dagli allievi; 6. Misurazione diretta di angoli piani con un goniometro semplice, indiretta mediante il rapporto tra la lunghezza dell'arco e il raggio e mediante l'uso di una funzione goniometrica come la tangente di un angolo e conferma empirica del teorema della somma degli angoli interni di un triangolo equilatero, isoscele e scaleno. 7. Misurazione diretta della massa gravitazionale di un cilindretto metallico mediante i metodi di Borda e di Gauss; 8. Misurazione indiretta: 1) della densità volumica q di alcuni cilindretti di volume diverso di un solido e di un liquido mediante una bilancia di precisione, 2) della densità superficiale r di alcune sagome di superficie diversa, 3) della densità lineare k di alcuni fili sottili; costruzione di un modello interpretativo di tipo particellare del volume occupato da un solido, formulazione di un'ipotesi di proporzionalità diretta tra volume V e massa m del solido e conferma empirica della stessa mediante il metodo tabellare e grafico;9. Individuazione della relazione di proporzionalità diretta in un fenomeno indagato sperimentalmente e utilizzazione dei metodi algebrico (tabellare) e grafico nella correlazione volume V e altezza h di un liquido in un recipiente cilindrico graduato; 10. Costruzione di un modello di elasticità dei solidi, formulazione di una ipotesi di correlazione tra forza deformante ed entità della deformazione, conferma empirica della legge di Hooke mediante i metodi algebrico e grafico e misurazione indiretta della costante elastica di alcune molle; 11. Misurazione indiretta della densità assoluta qa dell'aria contenuta in una bottiglia di plastica mediante una pompa ad aria e una bilancia di precisione; 12. Conferma empirica della legge di Hooke nel caso di sistema elastico costituito da più molle collegate in serie e in parallelo; verifica sperimentale del fenomeno dell'isteresi meccanica e determinazione del limite di elasticità della molla; 13. Individuazione delle relazioni di proporzionalità quadratica nella correlazione 1) lato l di un quadrato e sua superficie S, 2) raggio r di un cerchio e sua superficie S mediante il metodo algebrico e grafico e misurazione indiretta del coefficiente di proporzionalità o ; 14. Conferma empirica della legge di Stevino relativa alla pressione idrostatica esercitata da una colonna di liquido in una provetta graduata e misurazione indiretta del peso specifico del liquido; (*) Gli esperimenti evidenziati in verde sono stati già svolti alla data del 20 Maggio 1999.
15. Elenco degli esperimenti di fisica relativi alla conferma empirica della
ipotesi di proporzionalità diretta
tra - Massa m e superficie S di una sagoma piana; - Massa m e lunghezza l di un filo; - Massa m e volume V di una quantità di liquido; - Superficie S di un'ellisse e lunghezza di un semiasse a; e misurazione indiretta della relativa costante di proporzionalità che caratterizza il legame di proporzionalità.
16. Esperimento relativo alla conferma empirica della ipotesi di proporzionalità quadratica tra superficie S di un cerchio e raggio r;
17. Esperimento relativo alla conferma empirica della ipotesi di proporzionalità inversa tra superficie S di una provetta e altezza h;
18. Esperimento relativo alla conferma empirica della ipotesi di proporzionalità cubica tra volume V di una sfera e raggio r;
19. Esperimento relativo alla conferma empirica della ipotesi di proporzionalità
relativa alla radice quadrata tra periodo T di oscillazione di un pendolo
semplice e lunghezza l.
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