Corso di Fisica: introduzione alla materia e grandezze fondamentali

Corso di Fisica

Introduzione

P. Cortese Corso di Laurea in Scienze Biologiche a.a. 2023/2024 UP UNIVERSITÀ DEL PIEMONTE ORIENTALELa fisica La parola fisica deriva da una parola greca che significa "natura" È una scienza rivolta allo studio dei fenomeni naturali per comprendere:

• i costituenti della materia
• la natura delle loro interazioni => le leggi sottostanti ai fenomeni naturali . In passato la fisica era sinonimo di scienza naturale e quindi comprendeva anche lo studio degli esseri viventi. Comprendeva tutto! Storicamente si sono poi differenziate diverse discipline scientifiche

Introduzione E 2/60 VLa biologia e la fisica Biologia: L'insieme delle scienze riguardanti gli organismi viventi. (enciclopedia Treccani)

• La biologia è una scienza collegata alla fisica?
• La vita è davvero il prodotto delle leggi fisiche?
• Le scienze della vita richiedono di considerare qualche aspetto che vada al di là delle leggi fisiche (meta-fisica)? La concezione attuale è che:
• i fenomeni fisici, chimici e biologici sono regolati dalle stesse leggi: le leggi della natura.
• La vita può esistere solo all'interno dei limiti delle leggi della natura ed è il risultato di queste Inoltre
• Gli organismi viventi sfruttano molti fenomeni fisici
• I metodi di indagine in biologia sono spesso basati su fenomeni fisici Le branche della scienza si riconnettono

Introduzione 3/60 VLa fisica è stata la culla del metodo scientifico A partire dal lavoro di Galileo Galilei il fondamento del metodo scientifico è l'esperimento Osservazioni di fenomeni naturali nelle condizioni più adatte

• ripetizione (da parte di chiunque)
• ricerca di correlazioni tra le misure . descrizione dei fenomeni e delle conclusioni in termini rigorosi e univoci Formulazione di ipotesi
• modelli: descrizione dei fenomeni per similitudine (es. modello ondulatorio della luce)
• leggi (o principi): descrizione sintetica del comportamento della natura
• teorie: un quadro generale che spiega molti fenomeni
• Valutazione delle conseguenze di queste ipotesi su altre misure od osservazioni possibili Vaglio dell'esperimento per testarne l'efficacia
• Eventuale conferma della teoria (fino a prova contraria) E Introduzione - Il metodo scientifico 4/60 VAspetti del metodo scientifico Aspetto induttivo (intuizione!): dall'osservazione particolare al principio universale
• dalle osservazioni, alle correlazioni, al modello e all'ipotesi teorica
• da solo non è utile per approfondire la conoscenza della realtà. Come posso sapere se l'ipotesi teorica è vera? Se una teoria spiega i dati già conosciuti ma non ha altre conseguenze verificabili non è molto utile Aspetto deduttivo (logica): dal principio generale al caso particolare
• dall'ipotesi teorica valutare tutte le possibili conseguenze
• da solo non è utile se non è possibile confrontare le previsioni Falsicabilità . confronto con l'esperimento per verificare le conseguenze dell'ipotesi teorica.
• permette di confermare o scartare l'ipotesi Approfondimento: difficoltà di applicazione del metodo
• a volte le teorie vengono ampliate ed estese grazie a nuovi esperimenti o risultati

Introduzione - Il metodo scientifico E 5/60 VLa legge di conservazione della massa Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma (Lavoisier) Formulazioni: In fisica In un sistema chiuso la massa rimane costante In chimica In una reazione chimica, la somma delle masse dei prodotti è uguale alla somma delle masse dei reagenti Es: la fotosintesi 6 CO2 + 6 H2O -> 602+C6H1206 la reazione è bilanciata: si conserva il numero di atomi di ogni specie atomica

Conservazione massa-energia

Introduzione - Conservazione massa-energia E 6/60 VLa legge di conservazione dell'energia Nella reazione scritta della fotosintesi manca un'informazione essenziale: l'energia

• per sintetizzare il glucosio occorre energia (es. grazie alla luce del sole)
• bruciando il glucosio si ottiene energia Conservazione dell'energia L'energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo L'energia non può essere creata o distrutta ma solo trasformata da una forma all'altra:
• cinetica
• potenziale
• termica
• chimica
• elettromagnetica
• radiante Alcune di queste sono modi diversi di vedere la stessa forma di energia

Introduzione - Conservazione massa-energia 7/60 E VLa legge di conservazione della massa-energia E=mc 2 La massa è una forma di energia. Per la legge di conservazione della massa- energia l'energia totale rimane costante Il Sole perde massa sotto forma di energia (fotoni) che viene trasferita nello spazio circostante. All'interno del sole ogni secondo 4.28 Mt di materia vengono convertite in energia che corrispondono quindi a 4.28 . 109 kg/s . c2 = 3.85 . 1026 J/s Se esistessero bilance sufficientemente precise si potrebbe notare che la massa 602 + C6H1206 è leggermente superiore a quella dei reagenti perchè l'energia immagazzinata nel legame chimico si manifesta come eccesso di massa

Introduzione - Conservazione massa-energia 8/60 E VTipi di grandezze Secondo Stanley Smith Stevens le proprietà misurabili si dividono in classi a seconda della natura dell'informazione associata e quindi alle operazioni matematiche che possono essere effettuate con i relativi dati

• Variabili qualitative o categoriche
• nominali
• ordinali
• Variabili quantitative o numeriche
• discrete: valori interi
• continue: valori reali Per tutte queste possono essere determinati diversi livelli di scale di misura

L'operazione di misura

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura E 9/60 VScale di misura - 1 Scala nominale Riguardano caratteristiche che possono essere possedute o meno da un fenomeno e permettono una classificazione senza ordinamento

• Esempi: M/F, gruppo sanguigno
• Operazioni matematiche: = , # (identità)
• Permettono un raggruppamento dei dati (conteggio degli elementi presenti in ogni categoria) Scale ordinali Descrivono un fenomeno per cui è possibile stabilire una relazione d'ordine (un indice numerico, un punteggio) ma la relazione di scala tra i valori non è determinabile
• Esempi: scala di durezza di Mohr, indice di Apgar, gravità di una patologia
• Operazioni matematiche: quelle precedenti e >, <
• Permettono un'ordinamento dei dati (ad esempio la costruzione di quantili e percentili)

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura 10/60 VScale di misura - 2 Scala numerica ad intervalli Riguarda caratteristiche per cui è possibile misurare le distanze tra coppie di valori, lo zero della scala di misura è però arbitrario . Esempi: le scale termometriche Celsius e Fahrenheit, la data a partire da un determinato evento storico

• Operazioni matematiche: quelle precedenti e +, -
• Permettono di definire un'unità di misura e misurare la distanza tra due elementi (in modo additivo). Lo zero non identifica una proprietà che vale zero. È possibile calcolare la media, la deviazione standard Scala di rapporti Riguarda una proprietà per cui è possibile identificare uno zero non arbitratrio
• Esempi: lunghezza, massa, intervallo di tempo, temperatura Kelvin
• Operazioni matematiche: quelle precedenti e x, :
• Permettono di definire un'unità di misura e il risultato dell'operazione di misura è il rapporto tra grandezza misurata e unità di misura. Si possono applicare concetti statistici come le incertezze relative

Grandezze fisiche e unità di misura _ l'operazione di misura 11/60 VLa misura di una grandezza fisica La misura consiste nel confronto di una grandezza fisica con un campione di riferimento (ad esempio una misura di lunghezza con un metro): paragone e conteggio.

• Una grandezza fisica ha una definizione operativa => bisogna specificare come effettuare la misura
• strumenti di misura
• protocollo di misura
• Il risultato della misura è un rapporto tra grandezza misurata e campione di riferimento (definizione a livello di scale di rapporti) e cioè
• un numero
• un unità di misura
• un'incertezza => la matematica è quindi il linguaggio su cui si fonda la fisica

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura E 12/60 VMisure dirette di una grandezza fisica Nella misura diretta di una grandezza fisica:

• si sceglie una grandezza omogenea, di riferimento
• grandezza campione
• la si confronta con la grandezza da misurare.
• il risultato dell'operazione è il rapporto tra la grandezza da misurare e il campione

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura E 13/60 VEsempi di misure dirette Per misurare la lunghezza L di un tavolo la confrontiamo con un'analoga lunghezza di riferimento che chiamiamo metro. Il regolo graduato permette il confronto diretto della grandezza da misurare (la lunghezza del tavolo) con multipli e sottomultipli della grandezza campione. 13 14 15 6 7 8 Per misurare la durata di una corsa utilizziamo un orologio e possiamo scegliere come grandezza campione una frazione del giorno solare medio: il secondo. 55 5 50 10 40 20 50 10 30 45 O 15 40 20 35 25 30

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura 14/60 E V 9Misure indirette di una grandezza fisica Nei casi in cui non si può utilizzare la misura diretta, come accade in molte situazioni, si deve ricorrere ad una misura indiretta. Per fare questo si deve utilizzare una legge fisica o una relazione analitica, ovvero una funzione che lega tra loro grandezze fisiche (che possono essere misurate direttamente) ed eventuali costanti, alla grandezza fisica da misurare indirettamente.

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura E 15/60 VEsempio di misura indiretta Per misurare il volume di un cubo posso misurare prima la lunghezza di uno dei suoi lati l (in maniera diretta) e poi utilizzare la legge fisica o relazione analitica che lega il lato al volume del cubo V = 13

Grandezze fisiche e unità di misura - L'operazione di misura E 16/60 VBiology and Geometry Collide!1

• Le dimensioni di un organismo influenzano ogni aspetto della sua biologia
• Lo studio di questi fenomeni viene chiamato "scaling"
• La base di questi effetti è nella geometria
• Per qualunque oggetto di forma data:
• tutte le superfici sono proporzionali al quadrato delle dimensioni
• tutti i volumi sono proporzionali al cubo delle dimensioni
• equivalentemente le dimensioni lineari sono proporzionali:
• alla radice quadrata della superficie
• alla radice cubica del volume 1 Da un articolo di M. C. LaBarbera http://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/

Leggi di scala

Grandezze fisiche e unità di misura - Leggi di scala 17/60 E V