Le grandezze fisiche sono proprietà misurabili degli oggetti che ci permettono di descrivere il mondo che ci circonda. Due semplici esempi di grandezze fisiche sono la massa di un oggetto o la sua temperatura. Possiamo misurarle entrambe con strumenti, ma possiamo anche percepirle con le mani, sollevando l'oggetto o toccandolo. Esistono due tipi principali di grandezze fisiche: fondamentali e derivate.
Grandezze Fisiche Fondamentali
Le grandezze fisiche fondamentali sono quelle che non derivano da altre grandezze. La comunità scientifica internazionale ha identificato sette grandezze indipendenti, le grandezze fondamentali, dalle quali possono essere ricavate tutte le altre (grandezze derivate). La scelta delle grandezze fondamentali è comunque arbitraria. Sono grandezze che non derivano da altre grandezze.
Le sette grandezze fisiche fondamentali sono:
- Massa: è la proprietà che ci dice quanta materia è contenuta nell'oggetto.
- Lunghezza: è la proprietà che ci dice quanto è lungo un oggetto.
- Tempo: Questa proprietà è legata al flusso degli eventi e aumenta sempre.
- Intensità di corrente: è una quantità che può essere positiva o negativa ed è legata alla quantità di corrente elettrica all’interno di un mezzo
- Temperatura: è la proprietà che misura la quantità di calore in una sostanza o in un oggetto.
- Mole: è una grandezza fisica fissa che misura il numero di molecole di una sostanza.
- Luminosità: è una misura di energia, proprio come la temperatura.
Grandezze Fisiche Derivate
Le grandezze fisiche derivate sono le proprietà di un oggetto che risultano da due o più grandezze fisiche elementari. Un esempio di grandezza derivata è il volume che si misura in metri cubi (m3). Un altro esempio è la densità che si misura in kg per ogni metro cubo (kg/m3). La forza si misura in newton (N) ma un newton è una grandezza derivata perché N=kg m/s2.
Le grandezze derivate possono derivare da una relazione tra le stesse grandezze fisiche (ad esempio, l'area) o da una relazione tra due grandezze diverse (ad esempio, la velocità). La velocità è il rapporto tra lunghezza e tempo, quindi si misura in metri al secondo m/s. Dalla combinazione algebrica (moltiplicazioni e divisioni) delle sette unità fondamentali si possono ottenere le unità di misura delle grandezze derivate (tabella 2).
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Di seguito sono riportati alcuni esempi di grandezze fisiche derivate:
- Area e volume: legati alla lunghezza \[\begin{gather}area = altezza \times larghezza\\volume = larghezza \times altezza \times profondità\end{gather}\]
- Velocità e accelerazione: legate a lunghezza e tempo \[\begin{gather} velocità = distanza/tempo\\accelerazione = distanza/tempo^2 \end{gather}\]
- Densità: legata a lunghezza e massa \[densità = massa/volume = massa/lunghezza^3\]
- Peso: legato ad accelerazione e massa (su un pianeta, l’accelerazione è l'accelerazione di gravità) \[peso = gravità \times massa\]
Il Calore come Grandezza Derivata
La temperatura è la proprietà che misura la quantità di calore in una sostanza o in un oggetto. Il calore è legato al movimento delle particelle nell'oggetto.
Unità di Misura
Le grandezze fisiche sono importanti perché ci permettono di descrivere un oggetto. Gli oggetti hanno una certa massa, una certa lunghezza e una certa quantità di atomi. Le unità sono i valori di riferimento che utilizziamo per misurare le proprietà degli oggetti. Esempio. Per misurare la lunghezza si utilizza un nastro lungo un metro (1 m) che rappresenta l'unità di misura (campione unitario) della grandezza fisica della lunghezza.
Spesso, in fisica e in chimica si usano multipli e sottomultipli dell’unità di misura. Esempio. Il centimetro (cm) misura la centesima parte del metro. Il millimetro (mm) la millesima parte del metro. I numeri che si usano in fisica e in chimica derivano spesso da un esperimento di misura. Lo stesso numero, moltiplicato per unità di misura diverse, ha un significato fisico diverso.
Spesso, come vedremo meglio nel prossimo capitolo, il valore di una grandezza viene espresso ricorrendo alla notazione scientifica esponenziale. Il numero viene espresso come prodotto di due fattori: il primo è compreso tra 1 e 10 (1 ≤ x < 10), il secondo è una potenza di 10. Per esempio, il diametro della Terra misura circa 12 000 000 m, ovvero 1,2 ⋅ 107 m.
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Grandezze Estensive e Intensive
Le grandezze fisiche si dividono in due categorie: grandezze estensive e grandezze intensive. Questa classificazione è legata alle dimensioni di un oggetto. Le grandezze estensive dipendono dalla massa o dalle dimensioni dell'oggetto, mentre le grandezze intensive non dipendono dalla massa.
Esempi di Grandezze Estensive
La massa è un esempio di quantità fisiche estensive. La massa dipende dalla dimensione dell’oggetto. Se hai due oggetti fatti di ferro e uno è il doppio dell’altro in dimensione, quello più grande avrà il doppio della massa.
Esempi di Grandezze Intensive
Le grandezze fisiche intensive non dipendono dalla massa o dalle dimensioni dell'oggetto. Esempi semplici sono il tempo e la temperatura. Possiamo misurare il tempo impiegato da due oggetti di massa diversa per spostarsi dalla posizione A alla posizione B. In entrambi i casi il tempo scorre nello stesso modo indipendentemente dalla composizione o dalle dimensioni degli oggetti.
Immaginiamo di avere un oggetto con una temperatura di 100 kelvin, che dividiamo a metà. In circostanze ideali, in cui non c'è trasferimento di calore, le due metà avranno ancora la stessa temperatura di 100 kelvin.
Punti Chiave
Le quantità fisiche e le unità di misura sono diverse. Le quantità fisiche sono le proprietà fisiche di un oggetto, mentre le unità di misura sono un riferimento che utilizziamo per misurare le proprietà dell'oggetto. Esistono due tipi di grandezze fisiche: le grandezze fondamentali e le grandezze derivate. Quali sono le grandezze fisiche? Le grandezze fisiche sono tutte quelle proprietà fisiche che possiamo misurare. Le grandezze derivate sono composte dalle grandezze fondamentali.
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