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Oggetto:
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Esperimentazioni I A

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Physics Laboratory I A

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice dell'attività didattica
FIS0108
Docenti
Prof. Mario Edoardo Bertaina (Titolare del corso)
Prof.ssa Raffaella Bonino (Titolare del corso)
Prof. Davide Gandolfi (Titolare del corso)
Prof. Paolo Giuseppe Rumerio (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
Il corso si sviluppa in parallelo al corso di Fisica I, i cui contenuti sono importanti per la comprensione delle esperienze di laboratorio.
E' utile aver assimilato le tecniche di utilizzo dei Python notebook presentati nel corso del I semestre; inoltre puo' essere utile la capacita' di utilizzare gli strumenti matematici presentati durante i corsi matematici del I semestre.

The course takes place in parallel to the course of Mechanical Physics (II didactic period) and Waves, fluids and Thermodynamics (III didactic period), whose contents are important to understand the physics of the laboratory experiments.
It is useful to have mastered the use of Python notebooks, learnt in the I didactic period; the mathematical tools introduced in the mathematics classes of the I and II didactic period might be useful as well.
Propedeutico a
Il corso e' propedeutico a tutti i successivi corsi di Laboratorio
The course is preparatory to all the Laboratory classes of the following years.
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

a) Comprensione del carattere sperimentale della Fisica e della sua metodologia.

b) 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.

c) Capacità di effettuare semplici misure di laboratorio nell’ambito della Fisica Classica (meccanica, termodinamica,fluidi, onde), di elaborare i dati ottenuti e di stendere la relativa relazione. 

L'attività di laboratorio permette di imparare ad affrontare i problemi in nuovi contesti  e di comprendere nuovi problemi riconoscendone gli aspetti essenziali; permette inoltre di progettare studi sperimentali e di analizzarne i risultati.

a) Comprehension of the experimental essence of Physics and its methodology.

b) Learning the analysis methods of experimental data, the estimation of direct and indirect uncertainties and the verification of the functional relationship between two physical observables.

c) Capability of performing simple laboratory measurements of Classical Physics (mechanics, thermodynamics, fluids, waves) and data processing, capability of writing a report on the methodology of analysis and on the obtained results.  

The experimental work in the laboratory is meant to learn how to deal with new or unknown problems, identifying the main issues to be treated and solved. This work has the objective to learn how to design experiments and analyze their results.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacita' di comprensione

Il corso, rivisitando argomenti di fisica di base per presentarne poi la verifica sperimentale, permette di approfondire la conoscenza dei principi della Fisica Classica (meccanica, termodinamica, fluidi, onde).

Gli studenti devono comprendere le modalita' di funzionamento delle strumentazioni di Laboratorio tipicamente utilizzate nelle misure fisiche e i metodi statistici elementari per l'analisi dei dati sperimentali

Inoltre la necessità di analizzare i dati sperimentali e di redigere una relazione di laboratorio rafforza le competenze computazionali e informatiche

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

L’attività di laboratorio richiede innanzitutto la capacità di effettuare misure di Laboratorio e la capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica.

Soprattutto l'attività di laboratorio permette di imparare ad affrontare i problemi in nuovi contesti e di comprendere nuovi problemi riconoscendone gli aspetti essenziali; permette inoltre di progettare studi sperimentali e di analizzarne i risultati.ll corso, rivisitando argomenti di fisica di base per presentarne poi la verifica sperimentale, permette di conoscere meglio il metodo scientifico. Inoltre la necessità di analizzare i dati sperimentali rafforza le competenze computazionali e informatiche.

Gli studenti sviluppano altresì esperienza di organizzazione del proprio impegno personale e di lavoro di gruppo, anche assumendo responsabilità organizzative.

La necessità di scrivere la relazione dell'attività svolta, discutendo i risultati raggiunti, sviluppa la capacità di argomentare  e di trarre conclusioni con chiarezza e accuratezza,  sia in forma scritta che orale

L'attività di laboratorio, svolta anche in gruppo e con la necessità di adattarsi alle problematiche sperimentali, sviluppa  una mentalità flessibile, capace di affrontare problematiche sempre un po' diverse, che favorisce l'inserimento negli ambienti di lavoro.

Knowledge and understanding

The course proposes an experimental verification of physics arguments already introduced in other classes, with the goal of enhancing the comprehension of the basic principles of the Classical Physics (mechanics, thermodynamics, fluids, waves).

The students should learn the basic working principles of the instruments typically employed in physics measurements in the Laboratories, as well as the basic statistical methods used to process experimental data.

Both the activities of performing the analysis of experimental data and of writing a report improve informatics and computational skills.

Applying knowledge and understanding

The laboratory activity requires the capability of performing measurements and of interpreting the experimental results by means of a correct statistical analysis.

Especially the laboratory activity helps to learn how to deal with problems presented in a new situation and to understand the essential aspects of unknown problems. It helps moreover in designing experimental studies and performing data processing. By proposing an experimental verification of physics knowledges already acquired, the course allows the students to understand more deeply the scientific methodology. Both the activities of performing the analysis of experimental data and of writing a report improve informatics and computational skills.

The students develop also the expertise in organizing the employment of their own time and the group activities, by distributing properly the responsibilities among the group members. 

The production of a written report on the performed work, develops the capability of elaborating and defining conclusions in a clear and accurate way, both in written and oral ways.

The laboratory activity, being performed in collaboration with other students and asking to deal with always varying experimental problems, helps to develop a flexible mentality and problem-solving skills. This situation is a good training in view of a future work.

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento è costituito di lezioni frontali in aula e di esperienze di laboratorio, per le quali la frequenza è obbligatoria. 

Il primo modulo, erogato nel primo semestre tra Novembre e Gennaio, prevede

  • 30 ore di lezioni frontali in aula;
  • 2 ore di esercitazioni pratiche durante le quali ciascuno studente esegue individualmente una prima esperienza in remoto;
  • 6 ore per studente (ripartite in 3 sessioni da 2 ore) di analisi dati in aula informatica.

Le lezioni in aula saranno anche trasmesse in streaming sulla piattaforma Webex al seguente link:

https://unito.webex.com/meet/davide.gandolfi

La parte in aula presenta i principali metodi di analisi dei dati sperimentali, da applicare poi nell'analisi dei dati acquisiti durante le esperienze di laboratorio. Durante le lezioni viene anche presentata la fisica delle esperienze che verranno svolte.

L'analisi dei dati viene svolta, almeno nella prima parte, in laboratorio con l'assistenza del docente o dell'esercitatore. Viene anche svolta in aula informatica una prima analisi guidata dei dati raccolti durante l'esperienza iniziale sulle misure ripetute

Le modalità di insegnamento includono:

Teaching is based on face to face lessons in the classroom and experiments in the laboratory, whose presence is mandatory. Lectures will be also streamed live using Webex at the following link:

https://unito.webex.com/meet/davide.gandolfi

Teaching performed in the classroom introduces the main methods of data reduction and analysis, to be applied in the analysis of data acquired during the laboratory experiments. During the classes, a short description of the physics behind the experiments will be reviewed as well.

Data analysis is performed, at least at the beginning, in the laboratory, under the supervision of the teacher and tutors. A first guided analysis of the data acquired during the first experiment is conducted in the computer room

Teaching methods include:

  • classes on line through Webex tele-conference system and subsequent sharing of the material successiva;
  • recorded classes;
  • 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
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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento viene verificato progressivamene durante tutto il corso attraverso le consegne delle esercitazioni e le relazioni delle esperienze di laboratorio. Vengono corrette e restituite le relazioni del I semestre, che hanno l'obiettivo di utilizzare in forma semplificata gli strumenti di analisi introdotti a lezione. La prima relazione del II semestre avvicina alla stesura definitiva della relazione d'esame.

L'apprendimento viene infine verificato attraverso la stesura della relazione di un'esperienza di laboratorio, la sua discussione orale, la verifica della conoscenza della fisica delle esperienze eseguite e dei contenuti teorici dei metodi di analisi dati presentati durante le lezioni in aula

ESAME: l'esame e' orale e richiede la capacita' di presentare e caratterizzare i metodi di analisi dei dati sperimentali, a partire dalla discussione delle relazioni sulle esperienze di laboratorio. E' richiesta anche la conoscenza delle fisica relativa alle esperienze sviluppate in laboratorio.

L’esame si svolgerà in presenza. Sarà garantita la possibilità di svolgere l’esame da remoto agli studenti e alle studentesse che rientrino in una delle condizioni riportate al seguente link.

The level of knowledge of the concepts and tools acquired during the course is evaluated continuously during the entire teaching period. Different methods are used: a) written tests on specific topics; b) reports related to the data reduction and analysis of experiments performed in the laboratory. The first reports, whose objective is to apply in a simplified way the analysis tools described during the lessons, are checked and returned with feedbacks. The first report of the last didactic period should approach the level of the final report, which is evaluated as part of the final vote.

The final level of knowledge is evaluated on the basis of: the report on one experiment performed in the laboratory, the oral discussion of its content, the oral verification of the knowledge of the physics behind the experiments and of the theoretical aspects of data analysis and reduction described during the different classes.

EXAM: It is an oral exam and requires the capability to present and discuss the analysis methods of experimental data, starting from the defence of the report on a laboratory experiment. The knowledge of the physics related to the experiments is required as well.

REMOTE EXAMINATION through Webex system. Possible technical malfunctioning of the connection (i.e. unstable or absent connection for Webex) will not preclude the possibility to take the exam, which will be done through other platforms or with a different timetable compared to what has been scheduled.

The online exams are guaranteed to the students that will be in one of the following conditions:
1) fragile situation (direct or indirect, sickness, etc.);
2) residence or domicile outside the region;
3) absence from the regional territory with justified reasons.

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Attività di supporto

Lezioni video-registrate disponibili on-line sulla piattaforma “moodle” e questionari di autovalutazione in itinere.

Video-registered lessons, that are available on the web-based platform “moodle”, and self-valutation tests to be performed during the course.

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Programma

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 teoria in riferimento alle esercitazioni pratiche di laboratorio.
Congruo numero di esperienze di laboratorio su argomenti di meccanica, termodinamica, fluidi.

Theoretical part: parameters of a distribution (mean, median, moda, etc..) - Mean value and variance - Histograms and theoretical functions - Analysis of uncertainties: definition of error - Statistical and systematic errors - Propagation of statistical errors - Distribution of statistical errors ( introduction to the Gauss distribution) - Verification of hypotheses: Gaussian test - Chi square test - Least square method for a line and a parabola - covariance and correlation - the correlation coefficient - probability and statistics: frequency and probability - Theorems for the conditioned and total probability - Discrete and continuous distributions - Momenta of a distribution - Binomial distribution - Poisson distribution - Gaussian distribution - Maximum likelihood method to estimate mean value and variance for random variables - Variance of the mean value - Weighted mean - Chauvenet criteria - Laplace theory of uncertainties.

Experimental part: Data reduction and analysis. Revision of theoretical aspects of experiments - Consistent number of laboratory experiments about mechanics, thermodinamics, fluids 

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. Taylor - introduzione alla teoria dell'errore - Zanichelli
  3. Garfagnini - Appunti delle lezioni del corso di Esperimentazioni di Fisica IB (a.a.2001-2002) - CLU (reperibile anche nella Biblioteca di Fisica)
  4. Filatrella - Elaborazione statistica dei dati sperimentali - EdiSESR.
  5. Piazza - I capricci del caso -Springerv

All texts are in Italian except for:

Taylor - Introduction to error analysis - Zanichelli



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Note

Il materiale didattico viene reso di anno in anno disponibile sulla pagina Moodle.

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

AVVISO: e' obbligatorio iscriversi al corso di Esperimentazioni I sulla pagina Campusnet. Per utilizzare il materiale didattico e' necessario iscriversi al modulo  sulla pagina Moodle. Attraverso Moodle verra' messo a disposizione il materiale presentato a lezione e verranno indicati i compiti da svolgere durante il corso; la loro valutazione contribuira' alla determinazione del voto finale.

Per quanto riguarda le esperienze di laboratorio (obbligatorie) si trovano modalità per permetterne la frequenza anche agli studenti lavoratori

All the didactic material (in common with parallel course - course B) becomes available every year on the Moodle webpage. 

The indications on the objectives and of the program of every module can be found on the dedicated webpages.

Attendance: it is strongly recommended for the theoretical classes and mandatory for the laboratory activities (with specific agreements with work-students to allow their attendance).

NOTES:

- it is mandatory to register to the ‘Esperimentazioni I’ webpage on Campusnet. To use the didactic material it is necessary to register on the dedicated Moodle webpage. The material shown during classes as well as the homework to be performed during the course will become available through the Moodle webpage. Their evaluation will be part of the final estimation of the score of the exam.

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Ultimo aggiornamento: 10/06/2022 15:05