SparkStudio Fisica | Unità 2
UNITÀ 2

La rappresentazione
di dati e fenomeni

Tabella, grafico, formula: tre modi per "raccontare" lo stesso fenomeno. Qui impari a leggerli, a passare dall'uno all'altro e a riconoscere il tipo di legame che unisce due grandezze.

Come usarlo: scorri o usa il menu in alto. Ogni concetto ha definizione, formule ed esempi già risolti passo-passo.
I colori aiutano: blu = definizione, verde = formula, giallo = esempio svolto, arancione = consiglio, rosso = attenzione.
Strumenti: in fondo trovi il calcolatore di pendenza e un grafico interattivo per "vedere" le relazioni.
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Le rappresentazioni di un fenomeno

Lo stesso fenomeno con una tabella, un grafico o una formula

Il fenomeno di partenza

L'esempio guida

Da un rubinetto esce un flusso d'acqua costante in un recipiente graduato inizialmente vuoto. Osserviamo che dopo 1 minuto ci sono 2 litri, dopo 2 minuti 4 litri, dopo 3 minuti 6 litri, e così via. Questo è il fenomeno: lo possiamo descrivere in tre modi diversi, ognuno con i suoi pregi.

1. La rappresentazione mediante tabella

Definizione

La tabella mette in due colonne i valori delle due grandezze: il tempo t (variabile indipendente) e il volume V (variabile dipendente). Dà informazioni solo per gli istanti misurati.

Tempo (min)Volume (L)
00
12
24
36
48
510
Limite

Dalla tabella non possiamo sapere quanta acqua c'è dopo 3,41 min: quel valore non è in elenco. La tabella è una "fotografia" di alcuni istanti, non di tutti.

2. La rappresentazione mediante grafico

Definizione

Riportiamo il tempo sull'asse orizzontale (variabile indipendente) e il volume sull'asse verticale (variabile dipendente). Ogni coppia di valori della tabella diventa un punto del piano. Qui tutti i punti stanno su una stessa retta.

012 345 024 6810 tempo (min) volume (L)
Il grafico mostra l'andamento complessivo: possiamo stimare che dopo 3,41 min il volume è compreso fra 6 e 8 L. Una stima, non un valore esatto.

3. La rappresentazione mediante formula

Definizione

La formula, o modello matematico del fenomeno, lega le due grandezze con un'equazione. Nella tabella si vede una regolarità: ogni volume si ottiene moltiplicando per 2 il tempo. Quindi:

V = 2 · t

Il numero 2 è la portata del rubinetto: 2 litri al minuto. È una costante che dipende dal fenomeno.

Esempio svolto — la forza della formula
Quanta acqua c'è dopo 3,41 min? La tabella non lo sa, il grafico lo stima soltanto. La formula risponde con precisione:

V = 2 · 3,41 = 6,82 L

Ecco perché, quando il modello è corretto, la formula è la rappresentazione più potente: permette di calcolare il valore in qualsiasi istante, anche fra una misura e l'altra.

Le tre rappresentazioni a confronto

TABELLA valori a istanti precisi GRAFICO andamento d'insieme FORMULA valore in ogni istante ↔ ↔ Lo stesso fenomeno, tre punti di vista
La tabella dà dati precisi ma "a salti"; il grafico mostra l'andamento; la formula, quando il modello è corretto, è la più ricca perché contiene tutte le informazioni.

Analogie tra fenomeni diversi

Idea chiave

Un ciclista viaggia a 20 km/h: in 1 ora fa 20 km, in 2 ore 40 km. La formula è s = 20 · t. È la stessa identica forma di V = 2t! Due fenomeni fisici diversi (acqua e bicicletta) sono analoghi perché descritti da formule dello stesso tipo, e i loro grafici si somigliano.

💡 Da ricordare Variabile indipendente = quella che "decido io" o che scorre da sola (di solito il tempo, va sull'asse x). Variabile dipendente = quella che cambia di conseguenza (va sull'asse y).
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I grafici cartesiani

Assi, scale, interpolazione e pendenza di una retta

Come si costruisce un grafico in fisica

Le regole d'oro
  • Su ogni asse si scrive la grandezza rappresentata e la sua unità di misura. Un grafico senza unità è incomprensibile.
  • La variabile indipendente (spesso il tempo) va sull'asse orizzontale (x); la dipendente sull'asse verticale (y).
  • Si scelgono le scale in modo da far entrare bene i valori più grandi della tabella (es. una tacca = 1 min sull'orizzontale, una tacca = 40 kg sulla verticale).
  • Se le due grandezze variano con continuità, i punti si possono unire con una linea o una spezzata.

L'interpolazione grafica

Definizione

L'interpolazione grafica consiste nello stimare un valore compreso fra due misure che abbiamo fatto, leggendolo direttamente sul grafico (di solito tracciando una retta verticale fino alla curva). È affidabile se il fenomeno ha un andamento regolare tra i punti misurati, ed è tanto più precisa quanto più i punti sono vicini fra loro.

Esempio svolto
Un ragazzo corre e ogni 5 minuti segna la distanza percorsa. Non sappiamo quanti metri ha fatto al minuto 12, ma possiamo stimarlo: tracciamo una verticale da t = 12 min fino alla curva e leggiamo sull'asse y il valore corrispondente. → stima ≈ valore intermedio, ottenuta senza una nuova misura.

La pendenza di una retta

Definizione

Dati due punti qualsiasi su una retta, la pendenza è il rapporto tra la variazione dell'ordinata y e l'incremento dell'ascissa x:

In simboli
pendenza = y2 − y1x2 − x1

Per una retta la pendenza è costante: scegli i due punti che vuoi, il rapporto non cambia.

Δx Δy pendenza positiva
Δx Δy < 0 pendenza negativa
Esempi svolti
1) Recipiente che si riempie (punti del grafico: P1(2 min; 4 L) e P2(5 min; 10 L)):
pendenza = (10 − 4) L(5 − 2) min = 6 L3 min = 2 L/min (positiva: il volume aumenta)

2) Serbatoio che si svuota (parte da 20 L; punti (2 min; 12 L) e (4 min; 4 L)):
pendenza = (4 − 12) L(4 − 2) min = −8 L2 min = −4 L/min (negativa: il volume diminuisce)

La variazione Δ (delta)

Notazione

Per indicare la variazione di una grandezza si usa la lettera greca Δ (si legge "delta"). Quindi Δy = y2 − y1 e Δx = x2 − x1. La pendenza diventa allora semplicemente:

pendenza = ΔyΔx
💡 Da ricordare Il segno della pendenza dipende dal segno di Δy (se Δx è positivo): se y cresce al crescere di x, la pendenza è positiva; se y diminuisce, è negativa.
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Grafici a torta e istogrammi

Quando il grafico cartesiano non basta

Il grafico a torta

Definizione

Il grafico a torta è un cerchio diviso in settori di dimensioni proporzionali ai valori. Si usa per rappresentare percentuali: le percentuali devono sommare a 100% (e i settori coprono i 360° del cerchio).

azoto 78% O₂ 21%
Composizione dell'atmosfera: azoto 78%, ossigeno 21%, argon e altri gas ~1%.
Gas in atmosferaPercentuale
azoto (N₂)78%
ossigeno (O₂)21%
argon (Ar)0,9%
altri gas0,1%

L'istogramma

Definizione

L'istogramma è formato da una serie di colonne di altezza diversa distribuite lungo l'asse x. L'altezza di ogni colonna è proporzionale alla percentuale (o alla frequenza) dei dati di quell'intervallo. Si usa quando vogliamo raggruppare i valori in classi (es. masse da 0 a 20 g, da 20 a 40 g…). Negli istogrammi veri le colonne rappresentano sempre intervalli; se invece i dati sono categorie separate (per esempio squadre o città), si parla più propriamente di diagramma a barre.

≤2020-4040-60 60-8080-100 massa (g) percentuale (%)
Le colonne raggruppano i dati per intervalli crescenti di massa lungo l'asse x.

L'istogramma per una serie di misure

Caso speciale

Quando l'istogramma rappresenta tante misure della stessa grandezza soggette a errori casuali (es. 20 cronometristi che misurano lo stesso tempo sui 100 m), può tendere ad assumere una forma a campana, se gli errori casuali sono numerosi e distribuiti in modo regolare, con un picco attorno al valore centrale più probabile.

💡 Quale grafico scelgo? Torta → per mostrare percentuali di un totale (le "fette" di un intero). Istogramma → per valori raggruppati in intervalli o per una serie di misure. Cartesiano → per la relazione fra due grandezze che variano con continuità.
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Proporzionalità diretta e correlazione lineare

Le due relazioni "a retta": con e senza l'origine

La proporzionalità diretta

Definizione

Due grandezze x e y sono direttamente proporzionali se il loro rapporto è costante: al raddoppiare di x raddoppia anche y, al triplicare di x triplica y.

In simboli
yx = k   ovvero   y = k · x

k è la costante di proporzionalità (diversa da zero). Il grafico è una retta che passa per l'origine degli assi.

Esempio svolto — le mele
Le mele costano 1,5 €/kg. La spesa S è direttamente proporzionale alla massa m, perché il rapporto spesa/massa è sempre 1,5:
S = 1,5 · m → per 4 kg: S = 1,5 · 4 = 6,00 €
⚠ Attenzione

La coppia (0; 0) va sempre esclusa dalla formula y/x = k, perché non si può dividere per zero. Però il grafico passa proprio per l'origine: massa 0 → spesa 0.

La correlazione lineare

Definizione

Due grandezze sono correlate linearmente se le loro variazioni rispetto a un punto iniziale sono direttamente proporzionali. Il grafico è ancora una retta, che in generale non passa per l'origine; se invece c = 0 la retta passa per l'origine e la relazione coincide con una proporzionalità diretta.

In simboli
y = k · x + c

k = pendenza della retta; c = ordinata del punto in cui la retta incontra l'asse y (il "valore di partenza", per x = 0).

Esempio svolto — il recipiente già pieno
Un rubinetto versa 2 L/min, ma il recipiente contiene già 3 L all'inizio. Allora il volume non è più V = 2t, ma:
V = 2 · t + 3

Qui k = 2 (pendenza) e c = 3 (i 3 litri iniziali, valore quando t = 0). Il grafico è una retta che parte dall'altezza 3, non dall'origine.
y = k·x passa per l'origine
Proporzionalità diretta: retta per l'origine (0; 0).
c y = k·x + c
Correlazione lineare: retta che parte da c sull'asse y.
💡 Come le distinguo a colpo d'occhio Guardo se la retta passa per l'origine: se sì → proporzionalità diretta (y = k·x); se taglia l'asse y in un punto diverso da zero (cioè c ≠ 0) → correlazione lineare (y = k·x + c).
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Altre relazioni matematiche

Parabola, iperbole e fenomeni che si ripetono

La proporzionalità quadratica

Definizione

Due grandezze sono legate da proporzionalità quadratica se y è direttamente proporzionale al quadrato di x: al raddoppiare di x, y diventa 4 volte più grande; al triplicare, 9 volte.

In simboli
y = k · x²

Il grafico è una parabola. Esempio: l'area di un cerchio in funzione del raggio, A = π · r².

La proporzionalità inversa

Definizione

Due grandezze sono inversamente proporzionali se il loro prodotto è costante: al raddoppiare di una, l'altra si dimezza.

In simboli
x · y = k   ovvero   y = kx

Il grafico è una curva chiamata iperbole (definita per x ≠ 0). Esempio dell'asta in equilibrio: distanza × massa = 6000 g·cm (più ti allontani dal centro, meno massa serve).

y = k·x² (parabola)
x·y = k (iperbole)

I fenomeni periodici

Definizione

Un fenomeno è periodico se si ripete identico a intervalli di tempo regolari (l'oscillazione di un pendolo, un disco sul giradischi, la vibrazione di una corda). Il tempo dopo il quale tutto si ripete si chiama periodo T.

periodo T posizione del pendolo nel tempo
La curva si ripete esattamente ogni intervallo T: quello è il periodo del moto.

Riconoscere la relazione: tabella riassuntiva

RelazioneIn simboliCome cambiaGrafico
Proporzionalità direttay = k·xx raddoppia → y raddoppiaretta per l'origine
Correlazione linearey = k·x + cvariazioni proporzionaliretta non per l'origine
Proporzionalità quadraticay = k·x²x raddoppia → y ×4parabola
Proporzionalità inversax·y = kx raddoppia → y dimezzaiperbole
💡 Da ricordare Non sempre si può scrivere una formula! La temperatura di una città in funzione dell'ora del giorno, per esempio, varia in modo irregolare: si può rappresentare con un grafico, ma non con una formula semplice.
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Grafici ed errori

Stimare valori e rappresentare l'incertezza delle misure

Interpolazione ed estrapolazione

Due stime diverse

Interpolazione grafica: stimo un valore compreso fra quelli misurati (dentro l'intervallo). È affidabile se il fenomeno ha un andamento regolare tra i punti misurati.

Estrapolazione grafica: prolungo la curva oltre i valori misurati, per stimare un valore esterno all'intervallo. È più rischiosa: niente ci garantisce che il fenomeno continui allo stesso modo.

Esempio svolto — la molla
Abbiamo misurato l'allungamento di una molla con masse fino a 500 g. Prolungando la retta (estrapolazione) stimiamo che 600 g darebbero 13 cm. → Ma attenzione: nessuno ci assicura che la molla regga 600 g senza deformarsi o rompersi! stima da verificare

La rappresentazione degli errori nei grafici

Definizione

Ogni misura ha un'incertezza (errore). Sul grafico, un punto misurato non è "esatto": si rappresenta con un rettangolo d'incertezza centrato nel punto, di base pari al doppio dell'errore assoluto su x e altezza pari al doppio dell'errore assoluto su y. Se l'errore su una variabile è trascurabile, il rettangolo si riduce a un segmento (barra d'errore).

P 2 × err. assoluto x 2 × err. ass. y il rettangolo = incertezza sulla misura
Più le misure sono precise, più il rettangolo è piccolo (fino a ridursi a un punto).

L'errore di sottocampionamento

Definizione

È l'errore che si commette facendo misure a intervalli di tempo troppo grandi, così da "perdere" ciò che succede in mezzo.

Esempi
Il pendolo "fermo". Fotografo un pendolo (periodo 4 s) ogni 4 secondi: lo vedo sempre nella stessa posizione e concludo, sbagliando, che è fermo a mezz'aria!

La temperatura della città. Se misuro la temperatura solo alle 4 di notte, potrei ottenere un valore non rappresentativo dell'intera giornata: ho campionato un solo momento, non l'andamento completo.
💡 Come evitarlo Prima di misurare, farsi un'idea di quanto velocemente cambia il fenomeno, e scegliere intervalli di misura abbastanza fitti. Ma senza esagerare: ogni misura ha un costo, quindi si cerca il giusto compromesso tra precisione e numero di misure.
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La mappa dei fondamentali

Passare da formula a tabella a grafico (e tornare indietro)

A) Dalla formula alla tabella

Procedura
  1. Parto dalla formula, es. V = 2 · t (V dipendente, t indipendente).
  2. Scelgo dei valori per la variabile indipendente (t = 0, 1, 2, 3…).
  3. Calcolo con la formula i corrispondenti valori di V e li metto in tabella.

B) Dalla tabella al grafico

Procedura
  1. Disegno il piano cartesiano e scrivo su ogni asse grandezza e unità di misura.
  2. Scelgo le scale adatte ai valori della tabella.
  3. Per ogni coppia disegno un punto; poi unisco i punti con una linea o una spezzata.

C) Ricavare la formula da un grafico (retta)

Se la retta PASSA per l'origine

La formula è y = k · x. Calcolo k come pendenza, scegliendo due punti sulla retta:

k = ΔyΔx = y2 − y1x2 − x1

Es. punti (1; 2,5) e (3; 7,5): k = (7,5 − 2,5)/(3 − 1) = 2,5 → v = 2,5 t

Se la retta NON passa per l'origine

La formula è y = k · x + c. Leggo c direttamente dal grafico (dove la retta taglia l'asse y) e calcolo k come pendenza.

Es. con c = 3 e k = 2 → V = 2 t + 3

Diretta
y = k·x
retta per l'origine
Lineare
y = k·x + c
retta + intercetta
Quadratica
y = k·x²
parabola
Inversa
x·y = k
iperbole
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Strumenti per allenarti

Calcola, esplora e "vedi" le relazioni al volo

Δy/Δx Calcolatore di pendenza

Inserisci due punti della retta (x₁,y₁) e (x₂,y₂): ottieni la pendenza e capisci se sale o scende.

P₁ ( ; ) P₂ ( ; )
—

📈 Esploratore di relazioni

Scegli il tipo di legame e muovi i cursori: vedi il grafico cambiare e leggi la formula corrispondente.

k = 2 c = 3
Formula attuale
y = 2·x
Che grafico ottieni

Una retta che passa per l'origine: è la proporzionalità diretta.

↦ Da formula a tabella

Usa il tipo di relazione e i valori di k e c scelti qui sopra: genero la tabella dei punti per valori di x da 0 a 6 (per la proporzionalità inversa da 1 a 6, perché x = 0 non è ammesso).

↔ Promemoria rapido

Le relazioni a memoria
  • y = k·x → retta per l'origine
  • y = k·x + c → retta (c = intercetta)
  • y = k·x² → parabola
  • x·y = k → iperbole
I grafici "non cartesiani"
  • torta → percentuali (somma 100)
  • istogramma → intervalli / serie di misure
  • pendenza = Δy / Δx (per le rette)
  • Δ = variazione di una grandezza