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Andrea BIZZETI

Professore Associato
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica

Insegnamento: Laboratorio di fisica I

Fisica (D.M. 270/04) (Offerta formativa 2023)

Obiettivi formativi

Apprendere le metodiche di analisi dei dati di misure ripetute della stessa grandezza fisica continua (analisi di un campione di misure e confronto con la distribuzione gaussiana) e di misure di una grandezza fisica in funzione di un'altra (regressione lineare).

Imparare a svolgere attività di laboratorio in gruppo.

Eseguire esperimenti tipici di meccanica e termodinamica, applicando le conoscenze di analisi dei dati acquisite, usando sia strumentazione manuale che digitale e sistemi di acquisizione on-line.

Imparare a stendere relazioni di laboratorio, utilizzando le metodiche di analisi dati apprese, descrivendo l’esperimento, l’analisi dati e le conclusioni in modo chiaro, rigoroso e conciso.

Prerequisiti

Nessuno obbligatorio, Sono suggerite conoscenze elementari di matematica di algebra e del calcolo analitico. Conoscenze elementari della fisica classica relative alla parte di meccanica, termodinamica e fluidi.

Programma del corso

L'insegnamento è un insegnamento annuale, per un totale di 90 ore di didattica frontale (9CFU) di cui di norma circa due terzi di esperienze di laboratorio a piccoli gruppi. La scansione temporale dei contenuti è da intendere come puramente indicativa. Essa può infatti subire modifiche nel corso dell' insegnamento alla luce dei riscontri e della partecipazione degli studenti.

Primo modulo (3 CFU) – primo semestre – 30 ore:
Fenomeni fisici e grandezze fisiche, sistemi di unità di misura. Strumenti di misura, errori di misura e loro determinazione, propagazione degli errori. Cifre significative. Grafici ed istogrammi. Probabilità elementare, distribuzione di Gauss. Analisi statistica dei dati sperimentali: valore medio, deviazione standard, deviazione standard della media. Distribuzione binomiale. Distribuzione di Poisson. Confidenza e significatività. Test del chi quadro. Principio di massima verosimiglianza. Metodi di interpolazione lineare e non lineare. Metodo dei minimi quadrati applicato a funzioni lineari, quadratiche, logaritmiche, di potenza. Esercitazioni scritte di analisi statistica dei dati derivanti da una serie di misure simulata e sulle regressioni lineari o linearizzabili.

Secondo modulo (6 CFU) - secondo semestre – 60 ore
Allestimento dei set-up e svolgimento in piccoli gruppi di esperienze di laboratorio di meccanica del punto materiale e moto ondulatorio.

Esperienza n.1: Misura della costante elastica di una molla con metodo statico e dinamico
Esperienza n.2: Misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice
Esperienza n.3: Studio del moto di caduta libera e misura dell’accelerazione di gravità
Esperienza n.4: Onde stazionarie e misura della velocità di propagazione delle onde.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni pratiche di laboratorio. Attività di sostegno da parte di studenti della laurea magistrale in fisica o di dottorato.
Le lezioni saranno in lingua italiana, di norma in presenza in aula, così come le esercitazioni pratiche in laboratorio.
In caso di pandemia le lezioni teoriche saranno svolte a distanza in modo asincrono (registrate) o sincrono (streaming) con esercitazioni di laboratorio in presenza a piccoli gruppi.

Modalità per studenti lavoratori: Gli studenti lavoratori che non possono frequentare regolarmente le lezioni devono comunicarlo al docente e concordare la presenza ad un numero minimo di esperienze di laboratorio per poter accedere all'esame finale.

Orario di ricevimento:
Bizzeti: lunedì 14-16 e venerdì 11-13, Edificio Fisica, ufficio al 1 piano o su piattaforma web, oppure su appuntamento via e-mail.
Frabboni: martedì o giovedì 15-17, Edificio Fisica, ufficio piano 1 o su piattaforma web, oppure su appuntamento via e-mail.
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Testi di riferimento

Per la parte di esperienze di Laboratorio il docente fornisce le schede dell''esperimento e altro materiale utile sul portale moodle.unimore.it.

Per la parte di analisi statistica dei dati si possono consultare le dispense fornite dal docente e i seguenti testi:
J.R. Taylor, "Introduzione alla analisi degli errori", Ed. Zanichelli (2000)
Ulteriori testi per approfondimento:
Dapor, M., Ropele, M. , Elaborazione dei dati sperimentali, Collana: UNITEXT Springer
Gaetano Cannelli "Metodologie sperimentali in Fisica" Ed. EdiSES (2010)

Verifica dell'apprendimento

La verifica in itinere dell'apprendimento della parte del primo modulo avviene tramite test scritti con simulazione di analisi di dati di laboratorio.
La verifica in itinere dell'apprendimento della parte del secondo modulo avviene tramite le stesura di relazioni scritte di laboratorio sugli esperimenti eseguiti.
La valutazione finale avviene tramite un esame orale con discussione delle relazioni sugli esperimenti di laboratorio, a cui si accede avendo superato le verifiche in itinere.

Risultati attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:
Tramite le lezioni teoriche sulla analisi di dati di laboratorio lo studente acquisirà le conoscenze relative al calcolo della media e della deviazione standard di un campione di misure ripetute, ai test per la compatibilità con la distribuzione gaussiana, alle tecniche di analisi dati per determinare i coefficienti di regressioni lineari o linearizzabili e di valutarne la confidenza.
Tramite l’illustrazione degli allestimenti di esperimenti di meccanica e termodinamica lo studente sarà reso edotto delle problematiche nella realizzazione di un set-up sperimentale semplice e delle conoscenze di base a cui fare riferimento per ottenere la misura della grandezza fisica di interesse.


Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Tramite i test scritti in itinere con simulazione di analisi di dati di laboratorio lo studente acquisirà la capacità di applicare le conoscenze sulla analisi di dati di laboratorio relative a misure ripetute di una stessa grandezza per definire il valore best e la sua incertezza e per analizzare la dipendenza lineare o linearizzabile di una grandezza fisica non tempo dipendente in funzione di un’altra, valutando i parametri della regressione e la confidenza di essi.
Attraverso gli esperimenti svolti durante il corso lo studente sarà in grado di imparare ad allestire il set-up e eseguire in gruppo tipici esperimenti di meccanica (come ad es. studio dei moti oscillatori del sistema pendolo e del sistema massa-molla, studio delle onde stazionarie in un sistema meccanico) e termodinamica (come ad es. determinazione del coefficiente adiabatico con il metodo di Ruckhardt), usando sia strumentazione manuale che digitale e sistemi di acquisizione on-line.

Autonomia di giudizio:
Grazie alla varietà di esperimenti di laboratorio proposti e ai metodi di analisi illustrati, al termine del corso lo studente avrà sviluppato la capacità di scegliere autonomamente le metodiche di analisi dei dati sperimentali appropriate per le classi di esperienze affrontate nel corso e di valutare criticamente i risultati ottenuti e la coerenza o discrepanza con il modello del sistema fisico ipotizzato.

Abilità comunicative:
La redazione delle relazioni di laboratorio assegnate permetteranno allo studente di sviluppare la capacità di scrivere il report di un esperimento secondo i modelli proposti in modo chiaro, rigoroso e conciso e con adeguato linguaggio tecnico. Il colloquio finale permetterà allo studente di sviluppare la capacità di sostenere una discussione scientifica con un linguaggio appropriato.

Capacità di apprendimento:
Al termine del corso lo studente avrà sviluppato la capacità di approfondire in modo autonomo alcuni aspetti collaterali degli argomenti proposti nel corso.