Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
1) discutere concetti di ottica ed elettromagnetismo alla luce delle verifiche sperimentali dei fenomeni effettuate;
2) riconoscere e identificare fenomeni di elettromagnetismo e di ottica e sappia impostare in modo autonomo una esperienza, controllando errori sistematici e criticità;
3) analizzare correttamente i dati e descrivere un esperimento svolto in una relazione con un linguaggio scientifico corretto;
4) sintetizzare e collegare esperienze correlate;
5) proporre approcci o approfondimenti personalizzati di uno o più esperimenti (fra quelli proposti), sulla base del proprio interesse e curiosità;
6) avere acquisito buona manualità nell'utilizzo di strumentazione elettronica e ottica;
7) avere compreso più a fondo i concetti di elettomagnetismo, collegando fenomeno e descrizione formale del fenomeno;
8) conoscere i principi base dell'ottica geometrica, sorgenti e rivelatori di luce, del rumore elettronico e tutti gli argomenti che sono pecuilari del corso.
Prerequisiti
Frequenza dei corsi di Laboratorio di Fisica 1 e del modulo 1 del Laboratorio di Fisica 2.
Contenuti dell'insegnamento
Esperimenti di elettromagnetismo e ottica.
Programma esteso
ELETTROMAGNETISMO
• Rumore elettronico (argomento specifico del corso). Sorgenti di rumore. Spettro di rumore e sua misura. Controllo del rumore e possibili fonti di errori sistematici.
• Forza elettromotrice indotta. Richiami di teoria: campo magnetico generato da una spira, corrente indotta; il campo magnetico terrestre. Presentazione delle esperienze: misura della corrente indotta in una spira, misura del campo magnetico di una spira, del campo magnetico terrestre locale, del componente orizzontale.
• Risposta al campo elettrico. Richiami di teoria: la conducibilità elettrica e l’effetto Hall. La misura del coefficiente di Hall e della mobilità elettronica. Il gaussmetro. Presentazione delle esperienze: misura di resistività e coefficiente di Hall in un materiale.
OTTICA
• Richiami di teoria sulle onde elettromagnetiche e proprietà.
• Le sorgenti di luce (argomento specifico del corso): principio di funzionamento (lampade a incandescenza, a scarica, LASER) e proprietà della radiazione emessa.
• I rivelatori di luce e principio di funzionamento (argomento specifico del corso): rivelatori termici e fotonici; fotodiodi, fototubi, fotomoltiplicatori, bolometri.
• Ottica geometrica (argomento specifico del corso). Le leggi di Snell. Formazione delle immagini per riflessione-rifrazione da superfici piane e curve. Lo specchio sferico e il diottro sferico. Le lenti sottili, i sistemi di lenti, le aberrazioni. La dispersione. Presentazione delle esperienze: misura della lunghezza focale di sistemi ottici centrati riflettenti e rifrangenti, stima dell’ingrandimento trasversale. Taratura di uno spettrometro a prisma.
• La polarizzazione e metodi di polarizzazione: richiami di teoria. Lamine dicroiche e lamine birifrangenti. Presentazione delle esperienze: verifica della legge di Malus, determinazione dell’angolo di Brewster di un materiale e derivazione dell’indice di rifrazione.
• Ottica fisica. Richiami di teoria: onde elettromagnetiche e coerenza spaziale e temporale. Interferenza e diffrazione. Interferenza da fenditura singola e multipla. Il reticolo di diffrazione. Reticoli di diffrazione in trasmissione e in riflessione. Presentazione delle esperienze: interferenza da doppia fenditura, interferometro di Michelson, caratterizzazione di reticoli in riflessione e in trasmissione, acquisizione dello spettro di emissione di lampade a incandescenza e a scarica usando uno spettrometro a reticolo. Filtri colorati
• Metodi di misura della lunghezza d’onda (argomento specifico del corso): confronto fra sistemi dispersivi e interferenziali. Potere risolutivo e potere dispersivo. Analisi critica della possibilità di risolvere il doppietto del sodio con i sistemi sperimentali usati nel corso.
Bibliografia
Per la teoria degli errori si faccia riferimento ai testi in uso nel Corso di Laboratorio di Fisica 1. Per gli argomenti proposti nel modulo si veda il materiale didattico sul sul portale ELLY-SMFI (https://elly.smfi.unipr.it/2018/course/view.php?id=144).
Metodi didattici
Gli argomenti trattati nel corso sono presentati dando rilievo agli aspetti fenomenologici dell'ottica geometrica, ottica fisica e alcuni aspetti dell'elettromagnetismo, privilegiando le problematiche insite nella verifica sperimentale delle leggi fisiche discusse. Le lezioni conterranno sia brevi cenni teorici all'ottica e all'elettromagnetismo che sperimentazione diretta da parte degli studenti, con discussione dei risultati. Su alcuni argomenti sarà proposta la discussione di esercizi scritti. Gli esperimenti di laboratorio saranno svolti in autonomia, dagli studenti in gruppi di lavoro; per ogni esperimento saranno richieste relazioni scritte.
Il materiale didattico per lo studio teorico, le schede guida agli esperimenti ed il calendario dettagliato delle attività sono forniti dal docente: tutto il materiale didattico è reso disponibile sulla piattaforma Elly fin dall'inizio del corso.
Le lezioni potranno essere erogate in presenza o a distanza (con lezioni svolte in streaming tramite la piattaforma Microsoft Teams o in video preregistrati) in relazione alla evoluzione della pandemia da Sars-Cov2.
Il materiale didattico includerà quindi le diapositive delle lezioni in formato pdf ed eventualmente le registrazioni dei video o delle lezioni proposte in streaming.
Sono infine suggeriti alcuni testi, che sono consultabili nella biblioteca del dipartimento.
Modalità verifica apprendimento
La prova d'esame richiede la preliminare presentazione delle relazioni sulle esperienze svolte durante il corso e consiste in una prova pratica individuale, un breve test scritto con quesiti a risposta aperta di carattere pratico-applicativo e una prova orale.
Nella prova orale si richiede la discussione di alcuni dei questiti posti nel test, delle tematiche proposte nel corso (in particolare gli argomenti specifici del corso), con particolare attenzione all’argomento oggetto della prova pratica. Si richiede la capacità di commentare in modo critico le relazioni presentate sugli esperimenti svolti durante il corso.
La valutazione complessiva è definita sulla base di: accuratezza delle relazioni [20%]; esito della prova pratica svolta (quale prova di autonomia nello svolgimento di un esperimento) [20%]; completezza della preparazione, il senso critico e la proprietà di linguaggio mostrate nella prova orale (e test) [60%]. Per superare l'esame è necessario aver partecipato all'80% delle esperienze, aver consegnato le relazioni, effettuate le prove richieste, mostrando, in particolare alla prova orale sufficiente livello di comprensione degli argomenti.
La durata del test scritto sarà di un'ora; la durata della prova pratica individuale sarà di due ore e richiederà la presentazione dei dati raccolti, con calcolo dell'errore e annotazione delle criticità dell'esperimento, ma senza stesura di una relazione. I risultati saranno discussi durante la prova orale. La prova orale durerà indicativamente 40 minuti.
Per la preparazione al test si fornità un fac-simile delle possibili domande. Il test scritto costituisce una prova di autovalutazione e guida allo studio per lo studente e ha valore ai fini della valutazione finale solo se di esito positivo. Le risposte errate saranno discusse in sede di prova orale.
La prova pratica ha lo scopo di evidenziare la capacità individuale di impostare un esperimento e riguarda un aspetto significativo di una delle esperienze svolte dallo studente durante l'anno, resa nota allo studente il giorno precedente la prova stessa. Durante la prova lo studente interagirà con il docente per spiegare i dettagli cruciali per la buona conduzione dell'esperimento e potrà consultare le dispense. L'esito della prova sarà dichiarato subito al termine della prova.
In relazione alla evoluzione della pandemia da Sars-Cov2, tutte le prove d'esame potranno essere svolte in presenza oppure a distanza tramite la piattaforma Microsoft Teams. In particolare laprova pratica individuale potrebbe essere eliminata o sostituita dalla discussione approfondita di un metodo sperimentale.
Altre informazioni
E' obbligatoria la partecipazione ad almeno l'80% delle esperienze di laboratorio. In caso di assenza maggiore sono organizzate giornate per il recupero alla fine del corso.
In relazione alla evoluzione della pandemia da Sars-Cov2, alcuni esperimenti di laboratorio potranno essere svolti in autonomia, a distanza, sotto la guida del docente.
In presenza di condizioni particolari (per esempio, nel caso di studenti lavoratori) può essere valutata l’opportunità di realizzare percorsi personalizzati. Esperienze svolte in modo particolarmente originale potranno essere pubblicate sulla "Vetrina dei Laboratori Didattici, nella sezione del laboratorio di Fisica II, https://smfi.unipr.it/it/Laboratorio-EMO
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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