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 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.N.B. Elenco degli esperimenti di fisica relativi alla proporzionalità diretta
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