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Maturità Matematica e Fisica

Maturità · MIMMatematica e Fisica노트 43개, 폴더 6개, 212 KB

cookie가 만든 MIM Maturità Matematica e Fisica 복습 노트 43개예요. 과정의 주제에 따라 6개 섹션으로 구성돼요.

Notes for the Italian liceo scientifico Esame di Stato when the second paper combines Matematica e Fisica, in folders for mechanics and thermodynamics, waves and optics, electromagnetism, special relativity, quantum and nuclear physics, and the mathematical tools used in physics problems. They follow the Quadro di riferimento (DM 769/2018, LI02) and the Indicazioni nazionali, and are written in Italian.

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포함된 내용

  • Meccanica e termodinamica
    • Misura, incertezza e grafici7 KB
    • Cinematica del punto6 KB
    • Sistemi di riferimento e trasformazioni di Galileo5 KB
    • Dinamica: leggi di Newton e forze5 KB
    • Dinamica del moto circolare e forze apparenti4 KB
    • Lavoro, energia e potenza4 KB
    • Quantità di moto, urti e centro di massa4 KB
    • Corpo rigido, momento angolare e momento d'inerzia5 KB
    • Gravitazione4 KB
    • Meccanica dei fluidi4 KB
    • Temperatura, calore e gas perfetti5 KB
    • Primo principio e trasformazioni termodinamiche4 KB
    • Secondo principio, macchine termiche ed entropia4 KB
    • Oscillazioni e moto armonico5 KB
  • Onde e ottica
    • Onde meccaniche e sovrapposizione5 KB
    • Il suono4 KB
    • Ottica geometrica5 KB
    • Interferenza e diffrazione della luce5 KB
  • Elettromagnetismo
    • Carica elettrica e legge di Coulomb5 KB
    • Campo elettrico e teorema di Gauss4 KB
    • Energia potenziale e potenziale elettrico4 KB
    • Conduttori e condensatori5 KB
    • Corrente elettrica e circuiti in corrente continua4 KB
    • Circuiti RC5 KB
    • Campo magnetico e teorema di Ampère5 KB
    • Forza di Lorentz e moto di cariche4 KB
    • Forze magnetiche su correnti e spire4 KB
    • Induzione elettromagnetica5 KB
    • Autoinduzione e circuiti RL4 KB
    • Corrente alternata4 KB
    • Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche5 KB
  • Relatività ristretta
    • Postulati, simultaneità, dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze8 KB
    • Trasformazioni di Lorentz e composizione delle velocità5 KB
    • Dinamica relativistica, quantità di moto ed energia6 KB
  • Fisica quantistica e nucleare
    • Corpo nero e ipotesi di Planck4 KB
    • Effetto fotoelettrico ed effetto Compton5 KB
    • Modelli atomici e atomo di Bohr5 KB
    • Dualismo onda-particella e indeterminazione5 KB
    • Nucleo, radioattività, fissione e fusione6 KB
  • Strumenti matematici per la fisica
    • Vettori e calcolo vettoriale5 KB
    • La derivata come tasso di variazione5 KB
    • L'integrale come somma e come area5 KB
    • Equazioni differenziali in fisica6 KB

첫 번째 노트

Meccanica e termodinamica / Misura, incertezza e grafici

Grandezze e unità

Una grandezza fisica è una proprietà che si può misurare, e il risultato di una misura è un numero accompagnato da un'unità. Nel Sistema Internazionale le sette unità fondamentali sono il metro (m), il chilogrammo (kg), il secondo (s), l'ampere (A), il kelvin (K), la mole (mol) e la candela (cd); tutte le altre sono derivate, come il newton N=kg m s−2\mathrm{N} = \mathrm{kg\,m\,s^{-2}} o il joule J=kg m2 s−2\mathrm{J} = \mathrm{kg\,m^2\,s^{-2}}.

L'analisi dimensionale controlla la coerenza di una formula: i due membri di un'uguaglianza devono avere le stesse dimensioni, e si possono sommare solo grandezze omogenee. Indicando con [L][L], [M][M], [T][T] lunghezza, massa e tempo, la velocità ha dimensioni [L][T]−1[L][T]^{-1} e l'energia cinetica 12mv2\tfrac12 mv^2 ha dimensioni [M][L]2[T]−2[M][L]^2[T]^{-2}, le stesse del lavoro F sF\,s. Un argomento di seno, di esponenziale o di logaritmo deve essere adimensionale.

Le potenze di dieci con i prefissi (nano 10−910^{-9}, micro 10−610^{-6}, milli 10−310^{-3}, kilo 10310^{3}, mega 10610^{6}, giga 10910^{9}) permettono di scrivere i valori in notazione scientifica. Un ordine di grandezza è la potenza di dieci più vicina al valore, e serve per stime rapide.

Incertezza di misura

Nessuna misura è esatta. Il risultato si scrive come x=x0±Δx x = x_0 \pm \Delta x dove $x_0$ è il valore migliore e $\Delta x$ è l'incertezza (o errore assoluto), cioè la semiampiezza dell'intervallo in cui si ritiene cada il valore vero.

Si distinguono gli errori sistematici, che spostano tutte le misure nello stesso verso (uno strumento starato, uno zero sbagliato), dagli errori casuali, che fanno variare le misure in modo imprevedibile intorno a un valore. Ripetere la misura riduce l'effetto degli errori casuali e non di quelli sistematici, che vanno individuati e corretti.

Con uno strumento a scala graduata, e senza altre fonti di errore, l'incertezza è di solito la sensibilità, cioè la più piccola divisione della scala (oppure la metà, se si può stimare a occhio). Se si ripete la misura NN volte e si ottengono i valori x1,…,xNx_1,\dots,x_N, il valore migliore è la media xˉ=1N∑i=1Nxi \bar{x} = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N} x_i e l'incertezza può essere stimata con la semidispersione massima $\dfrac{x_{\max}-x_{\min}}{2}$, oppure con la deviazione standard della media, $\dfrac{\sigma}{\sqrt N}$ con $\sigma=\sqrt{\dfrac{\sum (x_i-\bar x)^2}{N-1}}$.

L'errore relativo è Δxx0\dfrac{\Delta x}{x_0} e quello percentuale è lo stesso rapporto moltiplicato per 100. Dice quanto è precisa una misura in rapporto alla sua grandezza: 2,0±0,1 cm2{,}0\pm0{,}1\ \mathrm{cm} ha errore relativo 5%5\%, mentre 200,0±0,1 cm200{,}0\pm0{,}1\ \mathrm{cm} ha errore relativo 0,05%0{,}05\%.

Cifre significative

L'incertezza ha una o due cifre significative, e il valore migliore si scrive fino alla stessa cifra decimale dell'incertezza. Si scrive 12,3±0,2 s12{,}3\pm0{,}2\ \mathrm{s}, non 12,3456±0,2 s12{,}3456\pm0{,}2\ \mathrm{s}. Nei calcoli intermedi si tengono cifre in più e si arrotonda solo il risultato finale.

Propagazione delle incertezze

Quando una grandezza si calcola da altre misurate, la sua incertezza si stima con regole semplici, valide nel caso del massimo errore.

Per la somma e la differenza si sommano gli errori assoluti: z=x±y⇒Δz=Δx+Δy. z = x \pm y \quad\Rightarrow\quad \Delta z = \Delta x + \Delta y. Per il prodotto e il quoziente si sommano gli errori relativi: z=x y  oppure  z=xy⇒Δzz=Δxx+Δyy. z = x\,y \ \text{ oppure } \ z = \frac{x}{y} \quad\Rightarrow\quad \frac{\Delta z}{z} = \frac{\Delta x}{x} + \frac{\Delta y}{y}. Per una potenza $z = x^n$ l'errore relativo si moltiplica per $|n|$: $\dfrac{\Delta z}{z} = |n|\,\dfrac{\Delta x}{x}$. Quindi una grandezza che compare al quadrato pesa due volte nell'errore relativo.

Esempio. Si misura il lato di un quadrato, a=4,0±0,1 cma = 4{,}0\pm0{,}1\ \mathrm{cm}, e si vuole l'area. Vale A=a2=16 cm2A = a^2 = 16\ \mathrm{cm^2}, con errore relativo 2⋅0,14,0=0,052\cdot\dfrac{0{,}1}{4{,}0} = 0{,}05, cioè ΔA=0,05⋅16=0,8 cm2\Delta A = 0{,}05\cdot16 = 0{,}8\ \mathrm{cm^2}. Il risultato è A=16,0±0,8 cm2A = 16{,}0\pm0{,}8\ \mathrm{cm^2}, che si scrive (16±1) cm2(16\pm1)\ \mathrm{cm^2} se si tiene una sola cifra per l'incertezza.

Se le grandezze sono indipendenti, si usa spesso la somma in quadratura, meno pessimistica: per z=x+yz = x + y si ha Δz=(Δx)2+(Δy)2\Delta z = \sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2}. Il testo di un problema indica di solito quale regola adottare.

Accordo tra valori sperimentali

Due misure x1±Δx1x_1\pm\Delta x_1 e x2±Δx2x_2\pm\Delta x_2 della stessa grandezza sono compatibili se i loro intervalli di incertezza si sovrappongono, cioè se ∣x1−x2∣≤Δx1+Δx2. |x_1 - x_2| \le \Delta x_1 + \Delta x_2. Lo stesso criterio vale per confrontare una misura con un valore previsto da un modello. Se la differenza supera la somma delle incertezze, la discrepanza non si spiega con gli errori casuali, e bisogna cercare un errore sistematico oppure mettere in dubbio il modello.

Esempio. Due misure dell'accelerazione di gravità danno 9,7±0,2 m/s29{,}7\pm0{,}2\ \mathrm{m/s^2} e 9,85±0,05 m/s29{,}85\pm0{,}05\ \mathrm{m/s^2}. La differenza è 0,150{,}15 e la somma delle incertezze è 0,250{,}25, quindi i valori sono compatibili.

Rappresentazione grafica

Un grafico mette in relazione due grandezze yy e xx. Gli assi riportano il nome della grandezza e l'unità, la scala è uniforme e sceglie un intervallo adatto ai dati, e ogni punto ha le sue barre d'errore (un segmento verticale lungo ±Δy\pm\Delta y, uno orizzontale lungo ±Δx\pm\Delta x quando serve). Una retta o una curva si traccia in modo da passare entro le barre di errore di quasi tutti i punti, senza unire i punti a spezzata.

Proporzionalità e linearizzazione

Due grandezze sono direttamente proporzionali se y=kxy = kx, e il grafico è una retta per l'origine con pendenza kk. Sono inversamente proporzionali se y=k/xy = k/x, e il grafico è un'iperbole: riportando yy in funzione di 1/x1/x si ottiene una retta per l'origine. Se y=kx2y = kx^2 si riporta yy in funzione di x2x^2. Per y=kxny = kx^n, con nn ignoto, si prende il logaritmo: log⁡y=log⁡k+nlog⁡x \log y = \log k + n\log x e in un grafico con assi logaritmici si ottiene una retta la cui pendenza è $n$. Per una legge esponenziale $y = y_0 e^{-\lambda x}$ si usa $\ln y = \ln y_0 - \lambda x$, una retta in un grafico semilogaritmico.

La pendenza di una retta y=mx+qy = mx + q si stima con due punti lontani fra loro sulla retta tracciata, non con due punti dei dati: m=y2−y1x2−x1m = \dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} ha le dimensioni di yy diviso quelle di xx. Il suo errore si stima tracciando la retta di pendenza massima e quella di pendenza minima compatibili con le barre di errore, e prendendo metà della differenza.

Esempio. In un esperimento con un pendolo si misura il periodo TT al variare della lunghezza ℓ\ell, e i punti in un grafico di T2T^2 contro ℓ\ell stanno su una retta per l'origine di pendenza 4,0 s2/m4{,}0\ \mathrm{s^2/m}. Poiché la teoria prevede T2=4π2gℓT^2 = \dfrac{4\pi^2}{g}\ell, si ricava g=4π24,0≈9,9 m/s2g = \dfrac{4\pi^2}{4{,}0} \approx 9{,}9\ \mathrm{m/s^2}.

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