LABORATORIO DI FISICA I A - L

FIS/01 - 12 CFU - Insegnamento annuale

Docente titolare dell'insegnamento

SILVIO CHERUBINI
Email: silvio.cherubini@unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 6, Cittadella Universitaria, 95123 Catania
Telefono: 095.3785237 (DFA) - 095.542665 (LNS)
Orario ricevimento: Lunedì 9:00-11:00, studio n. 217, DFA. Monday 9:00 a.m. - 11:00 a.m., Room 217, DFA. Martedì 9:00-11:00, SDS Architettura (SR), solo su prenotazione con 48 h di anticipo MINIME.


Obiettivi formativi

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

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

Conoscenza e capacità di comprensione:

Capacità di applicare conoscenza:

Autonomia di giudizio:

Abilità comunicative:


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.

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 - densità di probabilità - momenti - •distribuzione di Student • 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.
- Misura in termini probabilistici.
- Cenni su teoria delle probabilità.
- Il criterio di massima verosimiglianza.
- Distribuzioni di probabilità: Gaussiana, Binomiale, di Poisson t-student, chi-quadro.
- 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. 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

Altro materiale didattico

http://studium.unict.it/

Team "LAB I S.Cherubini" sulla piattaforma Microsoft Teams

Gruppo chiuso "Telegram" LAB1-S-Cherubini-20-21



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Tutti gli argomenti trattatiTaylor, Loreti, Bevington 
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 semplice Ricamo ~ 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  
8 SferometroRicamo ~ 3.2 p. 35; Perucca ~ p. 45; Tyler ~ p. 68  
9Pendolo di torsione Ricamo ~ 5.8 p. 82; Tyler ~ p. 42  
10Ago di MaxwellTyler ~ p. (44), [34]  
11 MolleRicamo ~ 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 rotazione Perucca ~ 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  
15Quinconce di GaltonGiornale di Fisica XIX (1978), p. 54; http://cirdis.stat.unipg.it/files/macchina_galton/macchina_galton/index.html  
16Calorimetro delle mescolanze di • RegnaultRicamo ~ 8.10 p. 167; Perucca ~ p. 659  
17Propagazione del calore in una sbarra omogeneaPerucca ~ p. 680  
18PicnometroRicamo ~ 4.8 p. 60; Perucca ~ pp. 86, 88; Tyler ~ p. 12  
19 Bilancia di Mohr-WestphalRicamo ~ 4.9 p. 62 • Perucca ~ p. 88  
20 Sedimentazione Ricamo ~ 7.15 p. 150 • Perucca ~ p. 493 Tyler ~ p. 64  
21Viscosimetro di OstwaldRicamo ~ 7.12 p. 146 • Perucca ~ pp. 374, 486  
22Tensione superficialeRicamo ~ 7.6 p. 133 Perucca ~ pp. 436, 451 Tyler ~ p. 58  
23 Tubo di VenturiRicamo ~ 7.8 p. 136 Perucca ~ pp. 474, 478  
24Verifica delle leggi dei gas Ricamo ~ 8.7 p. 163; 8.8 p. 164 • Perucca ~ pp. 616, 618, 644  
25Esperienza di Clement-DesormesPerucca ~ p. 704 Tyler ~ p. 140  
26 Tubo di Kundt Ricamo ~ 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 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

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

Tabella A

Tabella B

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.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

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.




Apri in formato Pdf English version