Unità di misura
I termini più frequenti che si trovano in fisica sono: forza, energia, massa , velocità. Questi termini si riferiscono a delle quantità chiamate grandezze fisiche.
Una grandezza è una quantità che può essere misurata con uno strumento di misura.
Per misurare una grandezza dobbiamo prima individuare l’unità di misura associata a quella grandezza e poi dobbiamo stabilire quante volte l’unità di misura è contenuta nella grandezza stessa.
Tutta la fisica è basata sulla misurazione di grandezze. Per alcune grandezze fisiche, scelte come grandezze fondamentali (come la lunghezza, il tempo e la massa), sono state stabilite specifiche unità di misura (il metro, il secondo, il kilogrammo), definite con riferimento a un campione. Altre grandezze fisiche (come la velocità) sono definite in termini delle grandezze fondamentali e dei relativi campioni e unità di misura; per questo vengono anche chiamate grandezze derivate.
La misura di ogni grandezza fisica viene espressa nella sua unità, tramite un confronto con un campione di quell'unità. L'unità di misura è una denominazione esclusiva che noi attribuiamo alle misure di quella grandezza. Per esempio l'unità di lunghezza è il metro (m).
Il sistema di misura in uso è il Sistema Internazionale (SI). Unità, terminologia
e raccomandazioni del SI sono fissate dalla Conferenza Generale dei Pesi
e delle Misure (CGPM), organismo internazionale che stabilisce le linee
da seguire per determinare le unità di misura. Il Sistema Internazionale
(SI) suddivide le grandezze di misura in grandezze fondamentali e grandezze
derivate.
Le grandezze fondamentali sono 7: la lunghezza,
la massa, il tempo, la temperatura, l'intensità di corrente elettrica, l'intensità
luminosa e la quantità di sostanza. Tutte le altre grandezze sono
derivate dalle precedenti; per esempio, la velocità lineare vale lo spazio
percorso nell'unità di tempo, perciò è spazio/tempo e si misura in m/s.
Nella tabella seguente sono riportate le grandezze fondamentali.
| GRANDEZZE FONDAMENTALI | |||
| GRANDEZZE | UNITÀ DI MISURA | ||
| Nome | Simbolo | Nome | Simbolo |
| Lunghezza | l | metro | m |
| Massa | m | kilogrammo | kg |
| Tempo | t | secondo | s |
| Temperatura | T | kelvin | K |
| Intensità di corrente elettrica | I | ampere | A |
| Intensità luminosa | I | candela | cd |
| Quantità di sostanza | n | mole | mol |
La definizione delle unità di misura fondamentali è riportata in questa lista.
- Lunghezza.
- Tempo.
- Massa.
- Temperatura.
- Intensità di corrente elettrica.
- Intensità luminosa.
- Quantità di sostanza.
Nella tabella qui a seguito, alcuni esempi di grandezze derivate, accompagnate da nome e simbolo della relativa unità di misura.
| GRANDEZZE DERIVATE | |||
| GRANDEZZE | UNITÀ DI MISURA | ||
| Nome | Simbolo | Nome | Simbolo |
| Velocità | v | metro al secondo | m/s |
| Area | A | metro quadrato | m2 |
| Forza | F | newton | N=m·kg/s 2 |
| Lavoro (Energia) | L (E) | joule | J=N·m |
| Pressione | P | pascal | Pa=N/m 2 |
Regole per scrivere le unità di misura
Esistono delle regole per scrivere i valori delle unità di misura.
I simboli delle unità di misura:
● devono sempre seguire il valore numerico
e mai precederlo (5 kg e non kg 5);
● non devono mai essere seguiti da un punto
(3 m e non 3 m.);
● vanno scritti con l’iniziale minuscola
(4 km e non 4 Km), fanno eccezione i nomi di unità di misura che derivano
da nomi propri, ad esempio N, l’unità di misura della forza che sta per
newton (da Isaac Newton) oppure W che sta per watt, unità di misura della
potenza (da James Watt).
Le parole che indicano un’unità di misura iniziano sempre con la lettera minuscola anche quando derivano da nomi propri (watt e non Watt).
Multipli e sottomultipli
Utilizzando le unità del Sistema Internazionale, che è un sistema decimale, possono risultare numeri molto grandi o troppo piccoli. Per questo motivo, sono stati introdotti dei multipli e sottomultipli (che si ottengono moltiplicando o dividendo l'unità di misura per le potenze di 10), espressi mediante i prefissi riportati in tabella seguente..
| Multipli | Simbolo | Prefisso |
| 10 | deca | da |
| 10 2 | etto | h |
| 10 3 | chilo | k |
| 10 6 | mega | M |
| 10 9 | giga | G |
| 10 12 | tera | T |
| 10 15 | peta | P |
| 10 18 | exa | E |
| 10 21 | zetta | Z |
| 10 24 | yota | Y |
L'uso di tali simboli è intuitivo e immediato. Per esempio, se si aggiunge il simbolo del prefisso etto h prima di quello del metro m, si ottiene un multiplo dell'unità di misura, cioè: 1 hm = 102 m = 100 m. In modo analogo il prefisso centi, simbolo c, divide per 100 l'unità di misura. Nel caso questa sia il metro, si ha: 1 cm = 10-2 m = 0,01 m.
| Sottomultipli | Simbolo | Prefisso |
| 10 -1 | deci | d |
| 10 -2 | centi | c |
| 10 -3 | milli | m |
| 10 -6 | micro | μ |
| 10 -9 | nano | n |
| 10 -12 | pico | p |
| 10 -15 | femto | f |
| 10 -18 | atto | a |
| 10 -21 | zepto | z |
| 10 -24 | yocto | y |
Unità di misura della lunghezza
L'unità di misura della lunghezza è il metro (simbolo: m).
Il metro è la lunghezza che la luce percorre nel vuoto in un intervallo
di tempo pari a 1/(299.792.458) secondi.
Questo numero fu scelto in modo tale che la velocità e della luce potesse
essere esattamente: c = 299.792.458 m/s. Le misurazioni della velocità della
luce sono diventate, nel corso degli anni, sempre più precise, tanto che
ha avuto senso, per ridefinire il metro, adottare la velocità della luce
come grandezza di riferimento più rigorosamente definita.
Unità di misura del tempo
L'unità di misura dell'intervallo di tempo è il secondo (simbolo: s).
Il secondo fu originariamente definita in rapporto alla rotazione della
Terra.
Un secondo è il tempo necessario alla luce (di una specifica lunghezza d'onda)
emessa da un atomo di cesio-133 per effettuare 9.192.631.770 oscillazioni.
Segnali orari ad alta precisione sono diffusi in ogni parte del mondo mediante
segnali radio di sincronizzazione emessi dagli orologi atomici dei laboratori
ufficiali di campionatura.
Unità di misura della massa
L'unità di misura della massa è il kilogrammo (simbolo: kg) .
Il kilogrammo è definito mediante un campione cilindrico di massa di platino-iridio,
che ha diametro ed altezza pari a 39 cm, conservato presso l'Ufficio Internazionale
di Pesi e di Misure a Sèvres presso Parigi. Per una maggiore precisione
il chilogrammo può essere messo in relazione con le masse degli atomi.
Per questa ragione è stato definito un secondo campione per l'unità di misura
della massa: è l'atomo del carbonio-12, al quale, per accordo internazionale,
è stata attribuita la massa di 12 unità di massa atomica (u). Il rapporto
fra le due unità è
1 u = 1,66053886·10-27 kg
con un'incertezza di 10 negli ultimi due decimali.
Massa volumica o densità
Un'altra unità di misura correlata alla massa e di grande importanza è la massa volumica, detta anche densità e indicata con il simbolo ρ (la lettera greca rho minuscola). La densità ρ di un corpo è uguale al rapporto tra la sua massa m ed il suo volume V.
La sua unità di misura è il kilogrammo al metro cubo kg/m3,
ma nelle tabelle è più spesso data in grammi al centimetro cubo, e ivi spesso
si usa come confronto la massa volumica dell'acqua, 1,00 kg/dm³, dato che
è circa unitaria.
Unità di misura della temperatura
L'unità di misura della temperatura è il grado kelvin (simbolo: K) .
La temperatura viene misurata nel SI utilizzando la scala Kelvin. Tale
scala viene stabilita definendo inizialmente il valore numerico della temperatura
alla quale l'acqua presenta le sue tre fasi in equilibrio: liquida, ghiaccio,
vapore (punto triplo) a 273,16 K (0 °C).
Il grado kelvin viene definito come la frazione 1/273,16 della temperatura
termodinamica del punto triplo dell'acqua. Si noti che nella scala Kelvin
non si utilizza il simbolo dei gradi. Verrà quindi indicato 300 K (non 300°K)
e si pronuncerà "300 kelvin" (non "300 gradi kelvin").
Scale Celsius e Fahrenheit
Oltre alla scala Kelvin, altre due scale di temperatura sono di uso corrente:
la scala Celsius o centigrada, definita da
TC=T-273,16°
e la scala Fahrenheit, definita da
TF=9/5·TC +32°
Misura dell'intensità di corrente elettrica
L'unità di misura della intensità di corrente elettrica è l'ampere (simbolo: A)
Possiamo definire la corrente elettrica come il rapporto tra la quantità di carica elettrica Δq che transita attraverso la sezione di un conduttore sull'intervallo di tempo Δt.
il valore istantaneo della corrente elettrica è dato dal passaggio al limite per t→0 del precedente rapporto.
Una definizione alternativa è la seguente: La corrente elettrica di 1 A è quella corrente costante che, passando in due conduttori paralleli rettilinei infinitamente lunghi, di sezione circolare trascurabile, posti a 1 m di distanza nel vuoto, produce tra i due conduttori una forza di 2·10-7 N per metro di lunghezza.
Misura dell'intensità luminosa
L'unità di misura dell'intensità luminosa è la candela (simbolo: cd).
L'intensità luminosa di 1 candela corrisponde all'intensità luminosa, in
una data direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica
di frequenza 540·1012 Hz e la cui intensità energetica
in tale direzione è di 1/683 W/sr (sr=steraradiante).
Unità di misura della quantità di sostanza
L'unità di misura della quantità di sostanza è la mole (simbolo: mol). Una mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi contenuti in 0,012 kg di carbonio-12.