Obiettivi formativi
Il corso intende fornire allo studente le conoscenze fondamentali delle leggi della
fisica, delle applicazioni delle leggi allo studio dei fenomeni più comuni per poter
descrivere ed interpretare tecniche di indagine e di misura che poi saranno
utilizzate nei laboratori di ricerca o di lavoro. Particolare attenzione sarà posta alle
unità di misura, agli ordini di grandezza, all'uso appropriato dei termini, allo sviluppo
delle capacità di sintesi. Verranno illustrate le equazioni fondamentali e applicate,
riconoscendo i limiti della loro validità, al caso di semplici problemi.
Lo scopo e' di trasferire conoscenze e facilitare capacità di comprensione ad un livello che, utilizzando testi avanzati e differenziati, permetta di avvicinarsi ai principali temi della Fisica Generale e quindi fornire le competenze di base per risolvere problemi di diversa natura che richiedano un approccio fisico, interpretare risultati e comunicare in modo comprensibile e corretto, sviluppando le autonome capacità di apprendimento necessarie per gli approfondimenti successivi.
Prerequisiti
Corsi di matematica di base
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si divide essenzialmente in quattro parti: la prima dedicata alla tradizionale Meccanica dei corpi, la seconda alla Termodinamica, la terza all’ Elettro-Magnetismo, la quarta parte all’ Ottica. Vengono infine dati alcuni concetti introduttivi alla Fisica Moderna.
1- Si introducono le grandezze fisiche, la loro misura ed unità di misura e gli errori impliciti in una misura. Viene poi sviluppata la parte relativa la moto dei corpi, alle cause del moto (anche rotazionale) con le relative leggi. Particolare attenzione viene posta al concetto di energia-lavoro, alla conservazione dell’energia ed ai sistemi in cui si puo’ introdurre l’energia potenziale. Vengono introdotti esempi di sistemi di riferimento non inerziali con forze apparenti. Viene trattato l’oscillatore armonico (ed il moto armonico) come modello applicabile a diverse situazioni fisiche/naturali. Vengono accennati i principi di conservazione della quantità di moto e del momento angolare. Vengono poi illustrati i concetti essenziali della statica e della dinamica dei fluidi, fino all’equazione di Bernouilli.
2- Vengono richiamati i concetti essenziali della termologia, comprese le transizioni di fase, ed illustrato il comportamento di sistemi termodinamici semplici, in accordo alle leggi della Termodinamica, fino alle macchine termiche e alle varie definizioni di efficienza. Viene descritta la teoria cinetica dei gas e le sue implicazioni.
3- L' Elettromagnetismo viene affrontato con l’obiettivo di presentare in modo intuitivo e descrittivo le equazioni di Maxwell e le loro implicazioni, fino all’induzione elettromagnetica. Cariche in moto, correnti e campi magnetici vengono affrontati con semplici esempi. Particolare attenzione viene posta al concetto di potenziale elettrico e di forze elettromotrice. Circuiti in corrente continua ed alternata vengono analizzati semplicemente, introducendo anche l’impedenza. Viene illustrata l’origine delle onde elettromagnetiche, la natura della luce e delle sue proprietà di polarizzazione.
4- Le proprietà della luce vengono infine affrontate sia da un punto di vista geometrico (riflessione, rifrazione) che elettromagnetico (diffrazione ed interferenza) descrivendo strumenti ottici come specchi, lenti, sistemi di lenti, microscopio, fibre, reticoli di diffrazione.
Programma esteso
Meccanica del punto materiale:
Le misure - Unità di misura - Grandezze fisiche - Vettori – Operazioni sui vettori - Il
moto - Velocità scalare e vettoriale - Accelerazione - Moto in due e tre dimensioni -
Velocità e velocità media - Accelerazione e accelerazione media - Moto dei proiettili
- Moto circolare uniforme - Moto relativo – Le leggi di Newton - Le forze - La massa
- Applicazioni delle leggi di Newton - Energia cinetica e lavoro - Potenza - Energia
potenziale - Forze conservative - Lavoro svolto da forze non conservative -
Conservazione dell'energia
Meccanica dei sistemi e dei corpi rigidi:
Sistemi di punti materiali - Il centro di massa - Seconda legge di Newton per un
sistema di punti materiali - Quantità di moto di un sistema di punti materiali -
Conservazione della quantità di moto - Forze esterne e variazioni di energia interna
- Urti - Impulso e quantità di moto - Urti elastici in una dimensione - Urti anelastici in
una dimensione - Rotazione - Variabili lineari e angolari - Energia cinetica
rotazionale - Momento d'inerzia - Momento di una forza - Lavoro, potenza e
teorema dell'energia cinetica - Rotolamento - Momento angolare - Conservazione
del momento angolare
Meccanica dei fluidi - Onde in mezzi elastici:
I fluidi - Densità e pressione - Fluidi a riposo - Misura della pressione - Principio di
Pascal - Principio di Archimede - Fluidi ideali in movimento - Linee di flusso ed
equazione di continuità - Equazione di Bernoulli -
Oscillazioni - Moto armonico semplice, smorzato e forzato - I pendoli - La risonanza
- Onde - Onde trasversali e longitudinali - Lunghezza d'onda e frequenza - Velocità
di un'onda in moto - Il principio di sovrapposizione - Interferenza - Vettori di fase -
Onde stazionarie e risonanza - Onde acustiche - Velocità del suono - Interferenza -
Intensità e livello sonoro - Sorgenti di suoni musicali - Battimenti - Effetto Doppler
Gravitazione:
La legge di Netwon della gravitazione universale - Massa inerziale e massa
gravitazionale - Il peso dei corpi e la caduta dei gravi - Le leggi di Keplero dei moti
planetari - Energia potenziale gravitazionale - Satelliti artificiali e sonde
interplanetarie
Calore e temperatura:
Equilibrio termico e principio zero della termodinamica - Temperatura e calore - La
misura della temperatura e le scale termometriche - Espansione termica - Capacità
termica e calore specifico - Cambiamenti di stato e calore latente - Propagazione
del calore
Il primo principio della termodinamica:
Calore e lavoro - Sistema termodinamico - Energia interna - Trasformazioni
termodinamiche - Trasformazioni reversibili e irreversibili - Rappresentazione
grafica di una trasformazione - Il gas come sistema termodinamico - Lavoro delle
forze di pressione - Calore specifico molare a volume costante e a pressione
costante - Equazione di stato di un gas ideale - I gas reali e l'equazione di van der
Waals - Il primo principio della termodinamica - Calore, lavoro ed energia interna
nelle trasformazioni termodinamiche del gas ideale: isoterme, isobare, isocore e
adiabatiche.
Il secondo principio della termodinamica:
Il funzionamento delle macchine termiche - Le macchine reversibili e il ciclo di
Carnot - Irreversibilità dei processi termici - Il secondo principio della termodinamica
nelle formulazioni di Kelvin e di Clausius - Rendimento delle macchine termiche - La
temperatura termodinamica assoluta e il rendimento del ciclo di Carnot - Macchine
frigorifere - La funzione entropia - Variazioni di entropia nelle trasformazioni
termodinamiche reversibili e irreversibili - Entropia e macchine termiche - Processi
naturali e degradazione dell'energia.
La teoria cinetica dei gas
l modello del gas ideale - Cammino libero medio - Distribuzione delle velocità
molecolari - Interpretazione della pressione e della temperatura di un gas - Energia
interna e principio di equipartizione - Calori specifici molari di un gas ideale -
Interpretazione statistica del secondo principio della termodinamica - Entropia e
probabilità: disordine e informazione.
Il campo elettrico:
Introduzione all’elettrostatica - Cariche elettriche - Materiali isolanti e conduttori -
Legge di Coulomb - Forza elettrica e campo elettrico generato da monopoli - Linee
di forza del campo elettrico - Campo generato da coppie di cariche - Dipolo elettrico
- Definizione di flusso di un campo vettoriale - Teorema di Gauss - Equivalenza:
Legge di Coulomb-Teorema di Gauss - Esempi per l’applicazione del teorema di
Gauss - Potenziale elettrico - Calcolo del potenziale a partire dal campo elettrico -
Calcolo del campo elettrico a partire dal potenziale elettrico - Superfici
equipotenziali - Concetto di condensatore - Capacità elettrica - Esempi di
condensatori - Polarizzazione - Dielettrici e costante dielettrica - Legge di Gauss in
presenza di dielettrici - Corrente elettrica - Densità di corrente - Legge di Ohm -
Spiegazione microscopica della legge di Ohm - Semiconduttori e superconduttori -
Potenza - Effetto Joule - Forza elettromotrice - Resistenza
in serie ed in parallelo - Carica e scarica di un circuito RC
Il campo magnetico:
Introduzione al magnetismo - Campo magnetico - Forza magnetica agente su una
particella - Forza di Lorentz - Linee di forza del campo magnetico - Campo
magnetico generato da fili percorsi da corrente - Analogia dipolo elettrico-dipolo
magnetico - Forza magnetica generata da fili percorsi da corrente - Definizione dell’
Ampère - Campo generato da un solenoide e da un toroide - Fenomeno
dell’induzione - Legge di Faraday - Legge di Lenz - L’induttanza - Calcolo
dell’induttanza - Circuiti RL - Considerazioni energetiche - Circuiti in corrente
alternata - Generatore di corrente alternata – Metodo dei fasori - Circuiti RLC -
Proprietà magnetiche della materia - Magnetismo atomico e nucleare -
Paramagnetismo - Diamagnetismo - Ferromagnetismo - Ciclo di isteresi
Onde elettromagnetiche e luce:
Richiamo delle equazioni di Maxwell - Equazione di propagazione delle onde em -
Velocità di propagazione delle onde em - Spettro delle onde em - Generazione di
onde em - energia delle onde em - vettore di Poynting - Cenni alla emissione di
dipolo elettrico - Definizione di onda polarizzata - Principio di Huygens -
Approssimazione raggi luminosi - Riflessione e rifrazione - Dispersione e prismi -
Riflessione totale
Ottica geometrica
Specchi e diottri sferici, lenti sottili - Cenno alle aberrazioni delle lenti - Sistemi ottici
centrati
Ottica ondulatoria e polarizzazione
Interferenza - Interferenza da più fenditure e da lamine sottili - Interferometro di
Michelson - Diffrazione alla Fraunhofer - Reticolo di diffrazione - Potere dispersivo e
potere risolutivo dei dispositivi ottici - Polarizzazione della luce: polarizzazione per
riflessione e per assorbimento selettivo.
CENNI DI FISICA MODERNA
Bibliografia
Vengono messi in rete appunti completi del docente relativi al programma effettivamente svolto e corrispondenti a quanto esposto nella lezione frontale.
Altri testi suggeriti:
D.C. Giancoli: Fisica, principi e applicazioni, CEA
A. Giambattista: Fisica Generale. Principi e applicazioni, Mc-Graw Hill
J.S.Walker, Fondamenti di Fisica, Zanichelli
Metodi didattici
Lezione tradizionale con numerose esercitazioni, mirate alle applicazioni geo/naturali/ambientali.
Durante le lezioni verranno costantemente richiamate applicazioni della Fisica all’esperienza quotidiana e verranno proposte situazioni della “Natura” da interpretare sulla base di semplici principi fisici, stimolando capacità di sintesi, di semplificazione dei problemi e suggerendo analogie e corrispondenze per ritrovare le leggi della Fisica in diversi ambiti.
Particolare attenzione viene posta alle esercitazioni con il coinvolgimento degli studenti. Docenti di supporto contribuiscono alle esercitazioni.
Modalità verifica apprendimento
Il grado di apprendimento viene continuamente valutato in itinere con il coinvolgimento degli studenti in esercitazioni e con quesiti.
Alla fine del Corso semplice prova scritta su alcuni esercizi per l’ammissione alla prova orale.
Nella prova scritta, svolta su tipologie di esercizi, anche a risposta multipla, e di situazioni già discusse e sviluppate durante le esercitazioni, si intendono verificare le capacità di semplificazione dei problemi e le capacità minime di calcolo (con uso corretto di cifre significative). Si intende pure valutare la capacità di applicare correttamente leggi e principi con appropriate unità di misura.
La prova scritta si intende superata se corretta oltre una soglia minima da definire prima della prova stessa. In tal caso la prova scritta dà diritto a sostenere la prova orale.
La prova orale intende verificare la comprensione delle leggi, dei principi, dei collegamenti fra argomenti, della correlazione fra situazioni apparentemente diverse. Si intende valutare la capacità di applicare le conoscenze acquisite durante il Corso e non la semplice enunciazione mnemonica. Intende inoltre stabilire la correttezza e precisione del linguaggio usato non solo nell’enunciazione delle leggi ma anche nella descrizione dei fenomeni.
Oltre alla valutazione di un accettabile grado di conoscenza della Fisica Generale si vuole valutare la capacità ad elaborare autonomamente soluzioni, a distinguere l’essenziale dal trascurabile.
La prova si intende superata in modo sufficiente secondo valutazioni ampiamente preannunciate durante il Corso.
Altre informazioni
Le esercitazioni sono mirate alle applicazioni naturalistico-ambientiali - geologiche.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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