22455 - LABORATORIO DI MECCANICA E TERMODINAMICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le abilità di base per effettuare misure di grandezze fisiche e le conoscenze di metrologia e di statistica che gli consentano di analizzare i dati raccolti in laboratorio, esprimendo correttamente i risultati sperimentali. In particolare, lo studente è In grado di: usare alcuni degli strumenti di misura più comuni ed effettuare misure utilizzando sensori e una catena di acquisizione dati tramite PC; fare l'analisi dimensionale di una grandezza fisica ed esprimere le misure nel SI; valutare le incertezze strumentali, casuali e sistematiche; usare le statistiche degli errori casuali e calcolare la propagazione delle incertezze nelle misure indirette; confrontare l’esito di un esperimento con altri risultati sperimentali e con predizioni teoriche tramite test opportuni; applicare alcune delle funzioni statistiche e grafiche di un foglio elettronico e del pacchetto software ROOT per l'analisi dati su PC; scrivere una relazione sperimentale chiara e concisa.

Contenuti

Modulo 1

La misura delle grandezze fisiche

il metodo sperimentale; il procedimento di misura; il sistema internazionale di unità di misura; i campioni di lunghezza, massa, tempo e temperatura; principali caratteristiche degli strumenti di misura; taratura di uno strumento; errori di misura; fluttuazioni casuali ed effetti sistematici; precisione ed accuratezza; valutazione dell'incertezza di un risultato; la distribuzione di Gauss; combinazione lineare e quadratica delle incertezze nelle misure indirette; rappresentazione del risultato di una misura.

Introduzione all'acquisizione dati e metodi di misura basati su dispositivi elettronici e personal computer

concetto ed esempi di sensore/trasduttore; segnali analogici e digitali e informazioni in essi contenute; risoluzione amplificazione, code width di una catena di misura.

Elementi di probabilità e statistica

elementi di base della probablità; variabili casuali; funzioni di probabilità; distribuzione binomiale, di Poisson, uniforme, normale; media e varianza; funzioni di probabilità congiunta; covarianza e coefficiente di correlazione; statistica delle incertezze casuali; intervallo di confidenza per la media di un campione di misure; criteri per il rigetto di un dato spurio; campioni ridotti e statistica di Student; criterio di massima verosimiglianza e metodo dei minimi quadrati; medie pesate; regressione lineare; statistica del chi-quadrato; metodi di "best fit"; test delle ipotesi; livello di confidenza di un test; l'ipotesi nulla; test di adattamento di una serie di misure di una distribuzione data; test di adattamento di misure accoppiate ad una funzione.

Esperimenti in laboratorio su argomenti di meccanica e di termodinamica

1) misura del momento di inerzia di un solido;

2) calibrazione di una termocoppia.

3) Conservazione della quantità di moto; conservazione del momento angolare;

4) Esperimento di Ruchardt; esperimento di Perrin;

Gli esperimenti 3) e 4) sono oggetto dei Moduli 2, 4 e 5

L'analisi dei dati raccolti è svolta anche tramite alcune funzioni statistiche del pacchetto software ROOT.

 

Modulo 3

Il framework ROOT per l'analisi dati

-Struttura Generale-l'interfaccia utente (linea di comando, uso di macro,interfaccia grafica).

-Rappresentazione di dati sperimentali con ROOT: classi istogrammi e
grafici (funzionalità di base). Comandi principali per la
presentazione dei risultati in grafici e istogrammi (assi, legende,
divisioni etc) con ROOT .

-Generazione Monte Carlo: Nozioni di base (Generatori di numeri
pseudocasuali, metodo del rigetto, metodo della trasformazione
inversa) Funzionalità di ROOT per la generazione Monte Carlo.

-Esempi concreti sulla distribuzione uniforme, gaussiana,
esponenziale, binomiale. Verifica di risultati derivabili a priori
(distribuzione Poissoniana e Gaussiana come limite della distribuzione
Binomiale, etc.).

-Esempi di macro di ROOT per l’analisi di dati sperimentali
(con riferimento alle prove di Laboratorio proposte nell’ambito del Corso).

 

 

Testi/Bibliografia

P. Fornasini "The uncertainty in physical measurements" Springer.

J. R. Tayor "Introduzione all'analisi degli errori" Zanichelli.

A. Filipponi "Introduzione alla fisica" Zanichelli.

The ROOT Data Analysis Framework: https://root.cern.ch/
The ROOt Primer:
https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/primer/ROOTPrimer.html

Altro materiale (testi, dispense ed articoli introduttivi agli esperimenti di laboratorio) saranno resi disponibili durante il corso sul sito https://campus.unibo.it/

Metodi didattici

- Lezioni frontali alla lavagna, con anche l'ausilio di slides (rese disponibili settimana per settimana sul sito https://campus.unibo.it/)
- Esercitazioni in aula;
- Quattro sessioni di laboratorio (la frequenza è obbligatoria), con relazioni scritte.   In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento da parte di tutti gli studenti dei moduli 1 e 2 in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame scritto ed esame orale.

La prova scritta si compone di tre problemi su diversi argomenti di probabilità e statistica più un problema relativo a ROOT. La prova scritta é valutata con un punteggio in 30-esimi.  Ad ognuno dei quattro probllemi è attribuito un punteggio, indicato nel testo della prova scritta; la somma dei quattro punteggi è pari a 30. Durante la prova scritta, della durata di 120 minuti, è ammesso l'uso di libri e appunti.

La prova orale segue la prova scritta e può essere sostenuta solo se si é ottenuto, nella prova scritta, un punteggio minimo di 18/30. La validità di ogni prova scritta superata è limitata all'interno della sessione.

Durante la prova orale, della durata di circa 45-50 minuti, allo studente vengono poste domande che possono riguardare tutti gli argomenti in programma. In particolare, le domande possono anche riguardare gli argomenti trattati nelle varie esperienze di laboratorio, le modalità del loro svolgimento e i risultati ottenuti. La prova orale é valutata con un punteggio in 30-esimi. Il voto dell'esame orale è stabilito in base ai criteri seguenti:
- se la preparazione è limitata ad un sottoinsieme di argomenti facenti parte del programma del corso e la capacità critica
emerge solo con l’aiuto del docente, allora il voto sarà compreso nell'intervallo 18-21;
- se la preparazione è su un numero ampio di argomenti affrontati nel corso ma la capacità di analisi si rivela autonoma
solo in modo limitato, allora il voto sarà compreso nell'intervallo 22-25;
- se la preparazione è soddisfacente sulla totalità degli argomenti affrontati nel corso, dimostrando buona autonomia
di analisi critica e buona padronanza della terminologia specifica, allora il voto sarà compreso nell'intervallo 26-29;
- se la preparazione è completa e si dimostra ottima capacità di svolgere in autonomia analisi critica e di collegamento
tra i vari argomenti trattati nel corso, con piena padronanza della terminologia e capacità di argomentazione, allora il
voto sarà 30 oppure 30 e lode.

Il punteggio finale rappresenta la media dei punteggi della prova scritta e della prova orale.

Strumenti a supporto della didattica

Laboratorio di fisica (viale Berti-Pichat 6/2, piano -1).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Cuffiani

Consulta il sito web di Sara Valentinetti

Consulta il sito web di Silvia Arcelli

Consulta il sito web di Sylvie Braibant

Consulta il sito web di Maria Clelia Righi