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Coronavirus: aggiornamenti per la comunità universitaria / Coronavirus: updates for UniTo Community
Oggetto:
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Esperimentazioni I B

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Physics Laboratory I B

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Anno accademico 2020/2021

Codice dell'attività didattica
FIS0108
Docenti
Prof. Marina Serio (Titolare del corso)
Prof. Stefano Camera (Titolare del corso)
Dr. Antonio Amoroso (Assistente)
Marco Monteno (Titolare del corso)
Corso di studi
008703 Laurea in Fisica
Anno
1° anno
Periodo didattico
Annuale
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
12
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Mista
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Non vi sono prerequisiti specifici differenti da quelli richiesti per l’accesso al corso di laurea.
Tuttavia potrà risultare utile saper utilizzare alcune conoscenze di base acquisite durante corsi precedenti o paralleli del primo e secondo semestre: derivate e integrali (Analisi 1), calcolo matriciale (Geometria e Algebra Lineare 1), meccanica e termodinamica (Fisica 1) e programmazione in Python (Tecniche Informatiche per la Fisica).


The course is developed in parallel to Physics I, whose topics are important for the understanding of the laboratory activities.
It is useful to have assimilated the techniques on how to use the software Python presented during the course of the First Lessons Period; in addition, it can be useful to know how to use the mathematical tools presented during the mathematical courses of the First and Second Semesters.

Propedeutico a
Il corso e' propedeutico a tutti i successivi corsi di Laboratorio
The course is preparatory to all the following laboratory courses.
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Comprensione del carattere sperimentale della Fisica e della sua metodologia. Apprendimento dei metodi per la trattazione dei dati sperimentali, valutazione degli errori di misura per misure dirette ed indirette e verifica empirica di dipendenza funzionale tra due osservabili fisiche.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Didattica alternativa: obiettivi formativi invariati.

Understanding of the experimental nature of Physics and its methodology. Learning of the methods to deal with the experimental data, experimental errors analysis for direct and indirect measurements and empirical test of the functional dependence bewteen two physical observables.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Alternative teaching: unchanged formative targets.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione (knowledge and understanding)

Al termine del corso saranno acquisiti il concetto di incertezza di misura di una grandezza fisica e la differenza tra errori casuali e sistematici; i fondamenti del calcolo delle probabilità e le proprietà delle principali distribuzioni di probabilità, continue e discrete; i concetti di base della statistica applicata all’analisi dei dati sperimentali in Fisica. Inoltre gli studenti avranno acquisito una conoscenza pratica del funzionamento di alcuni strumenti di misura per realizzare semplici esperimenti di Meccanica e Termodinamica. 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Al termine del corso gli studenti saranno in grado di effettuare semplici misure di grandezze fisiche e di stimarne le incertezze. In particolare dovranno acquisire la capacità di organizzare la raccolta e la selezione dei dati, e di eseguire un’analisi statistica per valutare la compatibilità con un modello teorico. Più in generale gli studenti accresceranno alcune abilità personali tra cui: la capacità di utilizzare il calcolatore per analizzare i dati sperimentali; la capacità di affrontare e risolvere problemi e di presentare in maniera efficace i risultati ottenuti in un esperimento.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png  DIDATTICA ALTERNATIVA: Risultati dell'apprendimento attesi invariati

Knowledge and understanding

The course, reconsidering basic physical topics to present later the experimental test, let the student enhance his knowledge of the principles of Classical Physics (Mechanics, Thermodinamics, Fluids, Waves).

The students have to learn the working principles of the laboratory instruments tipically used in phisical measurements and the basic statistical methods for the analysis of the experimental data.

Furthermore the need to analyse the experiemental data and to edit a lab report enhances the computational and computer skills.

Applying knowledge and understanding

First of all lab activity requires the skill to take measurements in the laboratory and the skill to interpret the experimental data by a correct statistical analysis.

Lab activity especially allows to learn how to deal with problems in new contexts and to get to know new problems identifying their essential principles; it allows in addition to plan experimental studies and to analyse the results. The course, reconsidering topics of basic Physics to present later their experimental test, allows to better understand the scientific method. Furthermore the need to analyse the experimental data strengthen the computational and computer skills of the student.

The students also develop the skill to organize their personal task and team working skills, even assuming organizational responsibilities.

The necessity to write the report of the activity which has been done, discussing the achieved results, develops the capability to argue and to clearly summarize the conclusions, both in written and oral form.

Lab activity, done in group as well and characterized by the need to conform to the experimental issues, develops a flexible attitude, able to deal with issues always a bit different, which facilitates the inclusion in the job role

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Alternative teaching: The expected learning outcomes are unchanged.

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Modalità di insegnamento

Il corso di Esperimentazioni I è suddiviso in due moduli didattici.

Il I modulo, erogato nel primo semestre, prevede lezioni frontali in cui vengono introdotti l’analisi delle incertezze di misura e gli elementi di statistica necessari per il trattamento dei dati sperimentali. Nella sua versione originale il programma prevede l’esecuzione in laboratorio di due esperienze (la misura del periodo di un pendolo e la misura dei conteggi di una sorgente radioattiva con un contatore Geiger), e tre esercitazioni in aula informatica, durante le quali vengono eseguite analisi statistiche (guidate dai docenti) sui dati raccolti nelle prime due esperienze. Tali analisi sono effettuate su calcolatore utilizzando dei fogli di calcolo (a partire da quest’anno si useranno dei notebook Python).

Il II modulo, erogato nel secondo semestre, prevede delle sessioni pratiche di laboratorio in cui piccoli gruppi di studenti effettuano varie esperienze su argomenti di meccanica, fluidi e termodinamica. L’analisi dei dati viene svolta in aula informatica con l'assistenza del docente o dell'esercitatore. Nelle lezioni frontali vengono forniti alcuni richiami di fisica (connessi con le esperienze da svolgere in laboratorio), e inoltre vengono approfonditi i concetti di calcolo delle probabilità e di statistica necessari per l’analisi dei dati sperimentali.

Frequenza: fortemente consigliata per le lezioni ed obbligatoria per i laboratori (con particolari accorgimenti per permettere la frequenza agli studenti lavoratori).

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Alternative teaching: (*) Come precisato nella sezione “Modalità d’insegnamento”, per tutta la durata dell’emergenza sanitaria dovuta all’epidemia di Covid-19, e fino a nuove disposizioni, sia le lezioni frontali in aula sia le attività laboratoriali e di analisi numerica saranno erogate a distanza in modalità sincrona (cioè in diretta, seguendo l’orario ufficiale delle lezioni) e videoregistrate.

Tutte le esperienze di laboratorio saranno filmate e i video verranno messi a disposizione degli studenti sulla piattaforma Moodle del corso (vedere sotto).

Durante il II semestre alcune lezioni potebbero venire proposte anche in forma asincrona, cioè videoregistrate in precedenza e caricate su Moodle.

Theorical lessons through remote sessions (asynchronous lectures); lab practice exercises (in presence) associated with a Tutorial on the experimental data analysis.

  • material such as slides, simulations and python notebooks published on moodle platform;
  • direct contact with students by means of emails for specific questions and moodle forum for more general questions; reception by Webex

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L’apprendimento viene verificato progressivamente durante tutto il corso attraverso le risposte date a semplici questionari di autovalutazione ed attraverso la verifica della compilazione dei notebook di analisi dati delle esperienze di laboratorio.

Durante il corso ogni studente redige quattro relazioni individuali (due per il modulo I e due per il modulo II) che vengono via via corrette e restituite.

La valutazione di queste relazioni entra nella valutazione complessiva ai fini dell’esame, e la consegna entro i termini stabiliti (comunicati dai docenti) è vincolante per poter sostenere l’esame.

L’esame, che copre il programma di entrambi i moduli, è orale, e si svolge alla presenza dei tre docenti del corso durante la sessione estiva. Le date degli appelli (in giugno, luglio e settembre) verranno comunicate durante il II semestre.

Durante l’esame orale, diviso in tre parti, l’apprendimento complessivo viene verificato attraverso la discussione delle relazioni redatte durante i due moduli del corso, la verifica della conoscenza della fisica delle esperienze eseguite e dei contenuti teorici dei metodi statistici di analisi dati presentati durante le lezioni in aula.

Di norma gli esami orali si svolgono in presenza, nei locali del Dipartimento di Fisica.

Tuttavia, qualora il perdurare dell’emergenza sanitaria dovuta all’epidemia di Covid-19 lo rendesse necessario, secondo le indicazioni rettorali l’esame orale sarà espletato in modalità telematica su Webex, la piattaforma telematica d’Ateneo: ogni appello verrà suddiviso in sessioni giornaliere, con una calendarizzazione stabilita in accordo con gli studenti iscritti all’appello.

Possibili malfunzionamenti tecnici (es. linea debole o assente per la videoconferenza su Webex o oscuramento del video durante la prova) non precludono la possibilità di sostenere l’esame, che potrà avvenire mediante altre piattaforme o in orari diversi da quelli calendarizzati.

L’erogazione online dell’esame verrà garantita agli studenti e alle studentesse che si troveranno in una delle seguenti condizioni:

1) situazione di fragilità (diretta o indiretta, malattia, etc.);
2) residenza o domicilio fuori regione;
3) assenza temporanea dal territorio regionale per esigenze documentabili.

Learning is verified progressively throughout the course through responses given to simple forms, experience reports, and verification of compilation of the lab logbook.

Each student draws up 4 individual reports (two for Module I and two for Module II) that are corrected and returned to students for revision. Evaluation of these reports enters the overall evaluation for the purpose of the examination, delivery within the time allowed is binding in order to take the exam.

Learning is finally verified through the oral discussion of the reports written during the course, the verification of the knowledge of the physics of the experiments performed and the theoretical contents of the data analysis methods presented during classroom lessons.

The exam is oral. It will also be possible the telematic method, if necessary, following the Dean recommendations, which are available at the intranet page of the University. In this case, the exam will be conducted orally via Webex: each round will be divided into daily sessions, with a schedule established in accordance with the students enrolled in the round

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Attività di supporto

Il materiale didattico di supporto allo studio verrà reso disponibile giorno per giorno sulle pagine Moodle dei due moduli del corso Esperimentazioni IB, raggiungibili collegandosi con le proprie credenziali MyUnito a:

I modulo (I semestre)  https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=2007

II modulo (II semestre) https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=2006

In alternativa è possibile collegarsi alla sezione “e-learning” della Scuola di Scienze della Natura dell’Università di Torino:  

https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/

e seguire il percorso di collegamenti a: Dipartimento di Fisica, Anno Accademico 2020-2021, Corso di Laurea Triennale in Fisica, I anno, FIS0108_20_21_B1  o  FIS0108_20_21_B2    

FIS0108_20_21_B1  si riferisce alla pagina Moodle del I modulo  (I semestre)     FIS0108_20_21_B2  si riferisce alla pagina Moodle del II modulo (II semestre)

Il materiale didattico disponibile sulle pagine Moodle dell’insegmanento comprende:

  • Slides delle lezioni erogate in diretta
  • Registrazione video delle lezioni erogate in diretta
  • Slides con audiocommenti o videoregistrazione di lezioni erogate in modalità asincrona
  • Modelli di notebook Python necessari per le esercitazioni
  • Modelli di relazione sulle esperienze svolte in laboratorio
  • Materiale accessorio utile per lo studio: dispense, simulazioni, link vari
  • Eventuali attività interattive svolte su Moodle durante le lezioni: sondaggi, questionari, quiz a scelta multipla.
  • Eventuali compiti assegnati durante il corso.

La piattaforma Moodle può essere utilizzata dagli studenti anche per porre al docente delle domande di carattere generale, che possono essere d’interesse per gli altri compagni di corso, attraverso l’uso dell’attività di discussione “Forum” di Moodle.

Per poter accedere al materiale didattico disponibile sulla pagina Moodle del corso è necessario iscriversi.

Per comunicazioni di carattere personale i docenti possono essere anche contattati via email.

In alcune occasioni (in particolare in occasione della correzione delle relazioni) sono previste alcune sessioni di “ricevimento studenti” nelle stanze-virtuali personali dei docenti sulla piattaforma Webex (le stesse da cui vengono video-trasmesse le lezioni).

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Programma

Lezioni in aula (*)

Il metodo sperimentale: confronto teoria-esperimento. Errori sistematici ed errori casuali. Valutazione dell’errore casuale nel caso di una singola misura. Variabili stocastiche, misure ripetute e valor medio empirico. Valutazione dell’errore nel caso di poche misure e di molte misure; distribuzione gaussiana e sue proprietà, distribuzione della variabile valor medio empirico.Significato statistico dell’errore; cifre significative. Test di confronto fra valore sperimentale e valore atteso e test di compatibilità fra misure sperimentali diverse nel caso di campioni piccoli e grandi. Correlazione fra grandezze fisiche e verifica dell’esistenza di una dipendenza funzionale: metodo dei minimi quadrati e test del Chi-quadro. Test di Student. Distribuzioni derivate. Coefficiente di correlazione lineare e suo utilizzo. Cenni all'analisi della varianza.

Richiami di fisica su argomenti di meccanica, dinamica dei fluidi e termodinamica, in riferimento alle esercitazioni pratiche da svolgere in laboratorio (nel II semestre).

Esercitazioni pratiche in laboratorio (*)

Nel I semestre: prime due esperienze di misura di grandezze fisiche (misura del periodo di un pendolo e misura dei conteggi di una sorgente radioattiva con un contatore Geiger). 

Nel II semestre: realizzazione di vari esperimenti di fisica classica (meccanica, dinamica dei fluidi e termodinamica).

Esercitazioni numeriche di analisi dati in aula informatica (*)

Nel I semestre: analisi statistiche (guidate) dei dati raccolti nelle prime due esperienze di laboratorio, realizzate su calcolatore utilizzando dei notebook Python.

Nel II semestre: sessioni di tutoraggio in aula informatica per l’analisi dei dati relativi alle esperienze del II semestre.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Didattica alternativa: (*) Come precisato nella sezione “Modalità d’insegnamento”, per tutta la durata dell’emergenza sanitaria dovuta all’epidemia di Covid-19 le lezioni frontali in aula, le attività laboratoriali e le sessioni di analisi numerica saranno erogate in modalità telematica e video-registrate. 

Classroom lectures (*)

The experimental method: comparison theory-experiment. Systematic and random errors. Evaluation of random error in the single measurement case. Stochastic variables,  Variabili stocastiche, repetitions of measurements and empirical average value. Evaluation of error for few and several measurements cases; gaussian distribution and its properties, distribution of the empirical average value variable. Statistical meaning of the error; significant figures. Comparison test bewteen experimental value and expected value and compatibility test between experimental measurements different in the case of small and big cross-section. Correlation between physical quantities and test of the existence of a functional dependence: method of least squares and chi-squared test. Student test. Derivative distributions. Linear Correlation Coefficient and its use. Brief explanation about variance Analysis.

Revision of some physics concepts (about mechanics, fluids and thermodynamics), related to the experiments to be performed in laboratory classes.

Laboratory classes (*)

Measurements of physical quantities and fulfillment of experiments about Classical Physics with further discussion over the achieved data.

Numerical exercises of data analysis in computer classroom (*)

I semester: the data collected from the two experiments performed during the laboratory classes are analyzed with statistical tools implemented on a computer with Python notebooks.

II semester: tutoring sessions in computer classroom to analyze the data collected in the experiments performed in the II semester.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.pngAlternative teaching: see above (in italian)

Testi consigliati e bibliografia

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Testi di interesse per il corso:

  1. G. Cannelli - Metodologie sperimentali in Fisica - EdiSES
    ed anche
  2. John R. Taylor - Introduzione all’analisi degli errori - Zanichelli

Textbooks of interest for the course (here indicated in Italian or translated in Italian):

  1. G. Cannelli - Metodologie sperimentali in Fisica - EdiSES
    as well as
  2. John R. Taylor - Introduzione all’analisi degli errori - Zanichelli (or the original edition: John R. Taylor - An introduction to error analysis – University Science Books)



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Orario lezioni

Lezioni: dal 02/11/2020 al 04/06/2021

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Note

AVVISO IMPORTANTE: è obbligatorio iscriversi al corso di Esperimentazioni IB cliccando sul pulsante “Registrati al corso” in fondo a questa pagina Campusnet, per consentire di avere un canale di collegamento diretto con tutti gli studenti.

upload_Nikon-related-disruptions-because-of-the-coronavirus-COVID-19.png Per tutta la durata dell’emergenza sanitaria dovuta all’epidemia di Covid-19, e fino a nuove disposizioni, sia le lezioni frontali in aula sia le attività laboratoriali saranno erogate a distanza in modalità sincrona (cioè in diretta, seguendo l’orario ufficiale delle lezioni) nelle stanze-virtuali personali dei docenti sulla piattaforma Webex:

I modulo (docente: Marco Monteno)

https://unito.webex.com/meet/marco.monteno

II modulo (docenti: Marina Serio e Stefano Camera)

https://unito.webex.com/meet/marina.serio

https://unito.webex.com/meet/stefano.camera

La video-registrazione delle lezioni viene caricata regolarmente sulla pagina Moodle dell’insegnamento.

The educational material  (shared with the course A) is annually updated and uploaded on the website Moodle.

Indications on the targets and the programme of the single modules are available on the respective webpages.

Attendance: strongly suggested for the classroom-taught lessons and mandatory for the lab activities (with special attention given to student workers to let them attend the lab).

NOTE: it is mandatory to register for the Physics Laboratory I class on the page Campusnet. To use the educational material it is necessary to register for the module on the webpage Moodle. The topics presented during the lectures will be available on Moodle and on the same page the homeworks given during the classes will be specified; their evaluation will contribute to the final grade.

Use the material available on the webpage Moodle.

ADDITIONAL  NOTE: the video recordings of the lessons of Physical Laboratory IA and
audiocomments of slides of Physical Laboratory IB are available on the website:
https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/ 

(Phys. Department, into section First year of Laurea Triennale))

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Ultimo aggiornamento: 08/11/2020 23:35