Obiettivi formativi
Comprendere i concetti basilari della fisica moderna. Acquisire la consapevolezza dei diversi gradi di difficoltà che comporta ideare e progettare un nuovo esperimento, e quindi affrontare e risolvere tutte le problematiche che si presentano. Sviluppare una sensibilità adeguata a valutare gli ordini di grandezza delle variabili in gioco.
Prerequisiti
Laboratorio di Fisica 1,
Laboratorio di Fisica 2
Contenuti dell'insegnamento
http://elly.difest.unipr.it/2016/course/view.php?id=60
Programma esteso
Gli esperimenti disponibili sono:
- Millikan: classico esperimento, presentato in versione didascalica, permette di calcolare con una certa approssimazione il valore della carica elettrica elementare.
- Effetto fotoelettrico: esperimento classico in versione didascalica, permette di osservare la natura corpuscolare della radiazione elettromagnetica e di misuare la costante di Planck, note le righe spettrali della sorgente a mercurio ed il valore della carica elementare.
- Thomson: esperimento classico, in versione didascalica, permette- pur con molta imprecisione- di valutare il rapporto e/m o “carica specifica” dell’elettrone.
- Franck-Hertz: il classico esperimento in versione didascalica, ulteriormente automatizzato dallo Staff dei Laboratori Didattici, permette di evidenziare la quantizzazione dei livelli energetici dell’atomo. Questo esperimento fornisce inoltre un esempio di spettroscopia non convenzionale.
- Corpo nero visibile: si dovrà misurare l'intensità luminosa emessa da un corpo nero di temperatura tra 800K e 3300K. In una seconda fase, confrontandosi con diverse difficoltà sperimentali, sarà poi possibile tentare di caratterizzarne la curva spettrale (Planckiana) nel range di lunghezze d'onda dal visibile al vicino infrarosso.
- Spettroscopia d'assorbimento UV-vis: gli studenti si familiarizzano con lo spettrofotometro ed i suoi limiti verificando la legge di Lambert-Beer. In seguito si possono eseguire diversi esperimenti di cinetica su sistemi fisici in evoluzione (diffusione di ioni in soluzione, fotoisomerizzazione molecolare, ecc).
- Spettroscopia di fluorescenza: si studia la fluorescenza di un fluoroforo in funzione della sua oncentrazione, evidenziando i diversi regimi. E' fortemente consigliabile avere già svolto l'esperienza della spettroscopia d'assorbimento UV-visible.
- Moto Browniano: misura dell’agitazione termica di particelle colloidali di dimensione micrometrica sospese in acqua (proprietà rilevanti in un file presente nell'archivio del materiale didattico) tramite microscopio ottico, telecamera digitale e PC usato in ambiente Matlab. Misurato lo spostamento quadratico medio delle particelle in funzione del tempo trascorso, tramite l’analisi di Einstein, è possibile ricavare una stima del numero di Avogadro.
- Cristalli liquidi: gli studenti, una volta familiarizzati con il microscopio ottico polarizzatore, osservano il comportamento della birifrangenza di alcuni sistemi liquido cristallini e/o polimerici, in funzione della temperatura e del campo elettrico applicato in una cella che sara' stata da loro all'uopo costruita.
- Misura della viscosità in una transizione di gelificazione. Tramite un pendolo a torsione, a lettura ottica che gli studenti dovranno sviluppare ed ottimizzare, si misurerà la viscosità di alcune soluzioni che transiscono allo stato di gel.
- Misura della transizone percolativa in una miscela granulare assimilabile ad un frattale: si tratta di una misura di trasporto in un mezzo granulare. Si misura la conducibilità elettrica (DC o AC, con 2 o con 4 punte) in una serie di pastiglie preparate mischiando una polvere conduttiva (Cu) ed una isolante in proporzione variabile.
Bibliografia
Agli studenti vengono proposti alcuni articoli originali di Millikan, di Einstein, di Perrin, nonché fotocopie dei manuali dei diversi strumenti.
Per quanto riguarda lo specifico di alcuni esperimenti, si può fare riferimento a
- Horowitz and Hill. The Art of Electronics, Cambridge University Press
- R.A.L. Jones Soft Condensed Matter. Oxford University Press
Metodi didattici
Il Corso inizia con alcune lezioni teoriche comuni a tutti gli studenti, in cui si tratteggiano le basi concettuali degli esperimenti disponibili, evidenziando le possibili difficoltà sperimentali e gli accorgimenti per superarle.
Seguono quindi le sessioni di laboratorio, in cui gli studenti, riuniti in gruppi di 2 o 3, dovranno svolgere 2 o 3 esperimenti nell'arco del semestre.
Modalità verifica apprendimento
Colloquio, consistente nella discussione delle relazioni delle esperienze svolte. Tipicamente questo colloquio si tiene nella sessione di febbraio (mentre un secondo colloquio, relativo alle attività del 2.o modulo, nella sessione estiva)
NB: Il voto finale del corso è la media aritmetica dei due voti conseguiti nei due colloqui dei due moduli.
Altre informazioni
Per l'analisi dei dati sperimentali è vivamente consigliato che gli studenti imparino a usare efficientemente Matlab.
Per alcune esperienze si renderà necessario saper usare un minimo di strumentazione elettronica per l'acquisizione di segnali, ad esempio un computer dotato di scheda acquisizione dati (ADC).
Diverse esperienze richiedono ormai l'acquisizione digitale ed il processamento di filmati ed immagini fotografiche e/o microfotografiche. Le procedure per estrarre dei parametri fisici ed in generale informazioni quantitative in ambiente Matlab sono descritte nel tutorial presente nell'archivio materiale didattico.
Gli studenti sono invitati a tenere un “libro di bordo” accurato ed aggiornato, dove annotare tutte le osservazioni che possano servire a descrivere o a ripetere l’esperimento. Inoltre, è utile che ciascun gruppo si ri-incontri nel corso della settimana per fare il punto della situazione e/o chiedere chiarimenti al docente, disponibile su appuntamento anche al di fuori dell'orario di laboratorio.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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