FISICA 1
cod. 1000976

Anno accademico 2013/14
1° anno di corso - Secondo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Fisica sperimentale (FIS/01)
Field
Discipline fisiche
Tipologia attività formativa
Base
78 ore
di attività frontali
9 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

Gli obiettivi formativi dell’insegnamento di Fisica 1 sono:
• fornire una conoscenza organica delle leggi fondamentali della Meccanica classica del punto materiale, della Meccanica classica dei sistemi e della Termodinamica, con particolare riguardo alla cinematica, alle leggi di Newton ed ai principi di conservazione;
• condurre alla comprensione degli aspetti salienti della Dinamica del corpo rigido e della Gravitazione universale.
• trattare da un punto di vista prevalentemente fenomenologico la Meccanica dei sistemi continui (liquidi e gas), la Termologia e la Termodinamica;
• introdurre la descrizione dei fenomeni oscillatori ed ondulatori.
Il metodo sperimentale costituisce la base per la comprensione del comportamento dei sistemi e dei fenomeni sopra descritti. Le teorie fisiche più rilevanti verranno apprese in termini di struttura logica e matematica e di evidenze sperimentali. Al termine del corso, lo studente dovrà essere in grado di valutare analogie e differenze tra sistemi fisici, metodologie da applicare, approssimazioni e metodi matematici da utilizzare e dovrà aver acquisito la capacità di applicare conoscenza e comprensione mediante la soluzione di esercizi e problemi.

La finalità di questo insegnamento è duplice. Da una parte si intende fornire gli strumenti analitici che consentano di descrivere la dinamica dei più semplici sistemi meccanici e termodinamici e di esaminarne il comportamento qualitativo, anche mediante l’acquisizione di abilità nella soluzione di problemi. Dall'altra si gettano le basi concettuali per la costruzione dell'edificio teorico della formulazione Newtoniana della Meccanica, propedeutica a formalizzazioni che verranno affrontate in corsi successivi.

Prerequisiti

- Algebra, trigonometria e geometria a livello liceale
- Fondamenti del calcolo differenziale ed integrale
- Principi di geometria analitica e di analisi vettoriale elementare

Contenuti dell'insegnamento

I parte

1. Introduzione e richiami di calcolo vettoriale
2. Cinematica del punto materiale: moti in 1 dimensione
3. Dinamica del punto: forza e leggi di Newton
4. Cinematica del punto: moti in 2 e 3 dimensioni
5. Applicazioni delle leggi di Newton
6. Moti relativi
7. Lavoro ed energia meccanica

II parte

8. Dinamica dei sistemi di punti materiali I
9. Dinamica del corpo rigido I
10. Dinamica del corpo rigido II: statica, moti rototraslatori
11. Dinamica dei sistemi di punti materiali II: momento angolare
12. Conservazione dell'energia
13. Fenomeni di urto

III parte

14. Gravitazione: fenomenologia e legge di Newton
15. Proprietà elastiche dei solidi
16. Statica e dinamica dei fluidi
17. Fenomeni oscillatori
18. Fenomeni ondulatori: onde meccaniche
19. Termologia - Gas ideali e reali
20. Calore e Primo Principio della termodinamica
21. Secondo Principio della termodinamica ed entropia

Programma esteso

I parte

1. Introduzione e richiami di calcolo vettoriale
Meccanica e Termodinamica classica. Fisica e misura, grandezze fisiche, campioni. Richiami di calcolo vettoriale: proprietà generali delle grandezze vettoriali; versori; scomposizione; prodotto scalare e prodotto vettoriale; rappresentazione cartesiana; derivata di vettori e versori.
2. Cinematica del punto: moto in una dimensione
Schema del punto materiale. Posizione, traiettoria, spostamento, velocità, accelerazione; moto uniforme e moto uniformemente accelerato; corpi in caduta libera. Moto oscillatorio armonico.
3. Dinamica del punto: forza e leggi di Newton
Interazioni, concetto di forza; leggi di Newton; sistemi di riferimento inerziali; massa e peso; quantità di moto e sua conservazione, forma generale della seconda legge di Newton; impulso e teorema dell'impulso.
4. Moto in due e tre dimensioni
Rappresentazione cartesiana. Rappresentazione intrinseca di posizione, velocità e accelerazione. Moti piani: moto del proiettile; moti circolari, moto circolare uniforme, accelerazione centripeta; grandezze angolari.
5. Applicazioni delle leggi di Newton
Forze di contatto: tensione, forza normale; forza di attrito radente, statico e dinamico; attrito viscoso; forza elastica e legge di Hooke. Dinamica del moto circolare uniforme: forza centripeta. Pendolo semplice e pendolo conico.
6. Moti relativi
Sistemi inerziali e relatività galileiana. Sistemi di riferimento non inerziali, forze apparenti. Forza di Coriolis. Il sistema di riferimento terrestre. Sistemi in moto roto-traslatorio (cenni).
7. Lavoro ed energia meccanica
Lavoro di una forza costante e di una forza variabile; teorema dell’energia cinetica per un punto materiale. Potenza. Forze conservative e non conservative; energia potenziale: elastica, gravitazionale; energia meccanica totale e sua conservazione in sistemi isolati conservativi.

II parte

8. Dinamica dei sistemi di punti materiali I
Moto di un sistema di punti materiali; centro di massa e suo moto; II legge Newton per un sistema di punti materiali; conservazione della quantità di moto; sistema di riferimento del centro di massa. Teorema dell’energia cinetica; teorema di Koenig per l’energia cinetica; energia cinetica e sistemi di riferimento. Sistemi a massa variabile (cenni).
9. Dinamica del corpo rigido I: momento di inerzia, II legge di Newton
Schema del corpo rigido, densità, centro di massa; traslazione, rotazione e roto-traslazione; momento di una forza; momento di inerzia; II legge Newton per moti rotatori; teorema di Huygens-Steiner; baricentro. Moto di puro rotolamento. Lavoro ed energia cinetica nel moto rotatorio e roto-traslatorio.
10. Dinamica del corpo rigido II: rotolamento e statica
Equilibrio statico del corpo rigido. Moto di puro rotolamento. Lavoro ed energia cinetica nel moto rotatorio e roto-traslatorio.
11. Dinamica dei sistemi di punti materiali II: momento angolare
Momento angolare di una particella, di un sistema di particelle e di un corpo rigido; teorema del momento angolare; simmetria dei corpi; momento angolare e sistemi di riferimento; teorema di Koenig per il momento angolare; conservazione del momento angolare. Cenni ai moti precessionali: giroscopi, trottola.
12. Conservazione dell'energia
Generalizzazione del principio di conservazione dell’energia meccanica, lavoro delle forze esterne; energia interna di un sistema di punti materiali; conservazione dell'energia in un sistema di punti materiali; energia associata al centro di massa.
13. Fenomeni di urto
Definizione di urto, forze impulsive; urti e principi di conservazione; urti elastici monodimensionali; urti anelatici; impulso angolare, momento dell'impulso; urti tra particelle e corpi estesi.

III parte

14. Gravitazione: fenomenologia e legge di Newton
Moto dei pianeti e dei satelliti: leggi di Keplero; legge della gravitazione universale di Newton; misura della costante G; massa inerziale e gravitazionale; gravitazione vicino alla superficie terrestre. Distribuzione sferica di massa: teoremi dei gusci. Energia potenziale gravitazionale, velocità di fuga: moto dei satelliti artificiali. Forze centrali. Energia e orbite. Cenni al campo e al potenziale gravitazionale.
15. Proprietà elastiche dei solidi
Compressione e trazione, legge di Hooke generalizzata; legge di Poisson, variazione di volume; deformazione di scorrimento; torsione; bilancia di torsione; compressione uniforme, pressione; deformazione plastica.
16. Statica e dinamica dei fluidi
Equilibrio statico di un fluido; leggi di Stevino e Pascal; pressione atmosferica: equazione barometrica; principio di Archimede e galleggiamento. Cenni ai fenomeni di superficie: tensione superficiale; legge di Laplace; fenomeni di capillarità; legge di Jurin. Moto di un fluido ideale, linea e tubo di flusso; equazione di continuità, teorema di Bernoulli. Cenni ai fluidi reali: flusso laminare, viscosità; legge di Hagen-Poiseuille; flusso turbolento, numero di Reynolds; moto di un corpo immerso in un fluido.
17. Fenomeni oscillatori
Sistemi oscillanti monodimensionali; moto armonico semplice; energia nel moto armonico semplice; relazione con il moto circolare uniforme; applicazioni: pendolo di torsione, pendolo fisico; oscillazioni libere smorzate; oscillazioni forzate e risonanza.
18. Fenomeni ondulatori: onde meccaniche
Onda e funzione d'onda; fase e velocità di fase; onde armoniche; equazione di D'Alembert e sue soluzioni; principio di sovrapposizione; interferenza di onde armoniche; onda stazionaria; battimenti. Propagazione di un’onda trasversale su una corda; onde stazionarie in una corda, serie armonica. Propagazione di un’onda longitudinale di compressione in un gas; velocità del suono; intensità dell’onda sonora; onde stazionarie longitudinali.
19. Termologia e gas
Sistema termodinamico; coordinate termodinamiche; equazioni di stato; trasformazioni termodinamiche. Principio zero della termodinamica, equilibrio termico. Temperatura; scale e metodi di misura della temperatura. Dilatazione termica dei solidi. Proprietà macroscopiche dei gas. Scala Kelvin. Equazione di stato dei gas perfetti. Termometro a gas a volume costante. Interpretazione cinetica della pressione e della temperatura dei gas perfetti. Libero cammino medio delle molecole. Cenni ai gas reali: diagrammi pV, transizioni di fase e parametri critici.
20. Calore e Primo Principio della termodinamica
Esperimenti di Joule; equivalente meccanico del calore. Processi reversibili e irreversibili. Calore specifico, molare, latente. Transizioni di fase. Calorimetria. Propagazione del calore. Lavoro nei processi termodinamici. Primo principio della termodinamica. Esempi: trasformazioni e cicli termodinamici. Energia interna di un gas perfetto. Capacità termiche dei gas perfetti. Gradi di libertà delle molecole e principio di equipartizione dell’energia. Relazione di Mayer. Processo isotermo, isobaro, isocoro e adiabatico di un gas perfetto.
21. Secondo Principio della termodinamica ed Entropia
Macchine termiche dirette e inverse. Rendimento. Enunciati del II principio di Kelvin-Planck e Clausius. Ciclo di Carnot reversibile. Rendimento del ciclo di Carnot. Teorema di Carnot. Scala assoluta della temperatura. Teorema di Clausius. Entropia. Principio di aumento dell’entropia: entropia e II principio. Esempi di calcolo della variazione di entropia nei processi reversibili e irreversibili.

Bibliografia

Elementi di Fisica – Meccanica - Termodinamica
P. Mazzoldi, M. Nigro e C. Voci
II edizione
Edizioni Scientifiche ed Universitarie (EdiSES), Napoli, 2008
ISBN: 9788879594189

FISICA 1
Meccanica - Acustica - Termodinamica
R. Resnick, D. Halliday, K. S. Krane
V edizione
Casa Editrice Ambrosiana (CEA), Milano, 2003
ISBN 8840812547

Fisica Generale: Meccanica e Termodinamica
S. Focardi, I. Massa e A. Uguzzoni
I edizione
Casa Editrice Ambrosiana (CEA), Milano, 1999
ISBN 8840812725

Metodi didattici

Lezione frontale con ausilio di strumenti audio-visivi multimediali.
Una parte del corso sarà dedicata ad esercitazioni in aula. Dopo aver sviluppato la teoria relativa, gli studenti risolveranno con la guida del docente esercizi e problemi in modo da chiarire ed approfondire gli argomenti di teoria svolti. Una selezione di esercizi e problemi per ogni argomento verrà resa disponibile sulla pagina web del corso.

Modalità verifica apprendimento

Prove scritte intermedie ed esame finale costituito da un colloquio orale, preceduto da una eventuale prova scritta d’esame. Agli studenti che abbiano superato positivamente le 3 prove scritte intermedie (valutazione media sulle 3 prove uguale o superiore a 18/30) verrà assegnata una valutazione di accesso al colloquio orale. Per poter sostenere il colloquio orale, che avrà lo scopo di definire il voto finale, gli studenti dovranno iscriversi agli appelli d’esame, pur essendo esonerati dallo svolgimento della prova scritta d’esame.
Per gli studenti che non dovessero raggiungere una valutazione di accesso al colloquio orale complessivamente sufficiente e per coloro che non avessero svolto le prove scritte intermedie si renderà necessario lo svolgimento dell’esame finale costituito da una prova scritta d’esame ed un colloquio orale. In tal caso saranno considerati ammessi al colloquio orale gli studenti che raggiungeranno nella prova scritta d’esame una valutazione uguale o superiore a 18/30.
Le 3 prove scritte intermedie saranno strutturate in modo da richiedere la soluzione di alcuni esercizi e problemi relativi a specifici argomenti del corso e la risposta ad alcuni quesiti sugli aspetti teorici degli stessi argomenti. Le prove scritte d’esame avranno una analoga struttura, ma problemi e quesiti potranno riguardare tutti gli argomenti del programma del corso. Il colloquio orale consisterà nella discussione delle prove scritte svolte (intermedie o d’esame) e nell’approfondimento di aspetti teorici riguardanti argomenti del programma.

Altre informazioni

Orario di ricevimento: mercoledì ore 10.30-11.30 oppure su appuntamento