Obiettivi formativi
Conoscenza e capacità di comprensione:
a) Prendere coscienza della vastità dei vari ambiti in cui si sviluppa la Scienza dei Materiali.
b) Acquisire i concetti base del calcolo delle probabilità, le principali distribuzioni statistiche e le loro proprietà e i principali metodi statistici per il trattamento dei dati.
c) Discutere argomenti di Fisica di base per progettarne e condurne la verifica sperimentale.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
a) Acquisire la convinzione che è possibile inventare nuovi materiali per rispondere alle sempre più pressanti richieste della tecnologia innovativa.
b) Pianificare semplici esperimenti di Fisica, valutare e trattare gli errori di misura statistici e sistematici.
c)Avere una buona familiarità con i diversi metodi di misura e la capacità di elaborare e analizzare statisticamente i risultati delle misure, anche mediante opportuni strumenti informatici che consentano ad esempio la loro rappresentazione grafica
d) Sintetizzare con relazioni metodi, misure, analisi dei risultati e conclusioni degli esperimenti.
Autonomia di giudizio:
a) Sapere analizzare e valutare il metodo scientifico, attraverso i processi di osservazione, prova sperimentale ed analisi critica dei risultati.
b) Essere in grado di procedere alla analisi e valutazione delle argomentazioni logiche a partire da ipotesi dichiarate per arrivare alle possibili conclusioni.
c) Analizzare criticamente i problemi, anche nuovi, riconoscendo e distinguendo gli aspetti essenziali da quelli marginali.
Abilità comunicative:
a) Sapere descrivere, presentare e discutere criticamente i risultati di un esperimento ottenuti mediante misure oggettive nel linguaggio tecnico-scientifico.
b) Sapere comunicare le conoscenze acquisite anche con un linguaggio semplice e comprensibile ad un pubblico non specialista
Capacità di apprendere:
a) Interpretare e comprendere testi di base su argomenti semplici di fisica sperimentale.
b) Utilizzare gli strumenti metodologici della fisica sperimentale come base propedeutica per la comprensione, progettazione, conduzione e analisi degli esperimenti che verranno affrontati in corsi di laboratorio successivi.
c) Iniziare a modificare il proprio agire secondo una mentalità pratica e flessibile, in grado di sapere operare anche in contesti nuovi.
Prerequisiti
Conoscenza di alcuni fondamenti della matematica elementare: algebra, trigonometria, elementi di geometria analitica, elementi di calcolo differenziale ed integrale.
Si ricorda che per tutti gli Studenti nuovi immatricolati è obbligatorio frequentare un corso di formazione in materia di sicurezza nei luoghi di lavoro. Dettagli sul corso di formazione on-line sono comunicati dalla Segreteria Didattica ad inizio anno accademico: in assenza degli attestati di frequenza potrà essere negato l'accesso ai laboratori didattici.
Contenuti dell'insegnamento
La scienza dei materiali è nata come fusione tra fisica, chimica, mineralogia e ingegneria, con il fine di sviluppare nuovi materiali richiesti dalle tecnologie avanzate. La prima parte del corso, che si svolge nel primo semestre, (3 CFU), si rivolge allo studente che desidera prendere contatto con questa disciplina. Partendo da alcuni esempi notevoli, che storicamente hanno portato a successi tecnologici, ci si addentra sempre più nelle caratteristiche innovative dei materiali, studiati per rispondere alle richieste specifiche della tecnologia. Questa parte, puramente descrittiva, serve a mostrare le potenzialità e il ruolo che la scienza dei materiali ha ed ha avuto nella società moderna e nella nostra vita di tutti i giorni.
La seconda parte del Corso, che si svolge nel secondo semestre, (6 CFU) riguarda una introduzione alla fisica sperimentale. Partendo dalla valutazione degli errori sperimentali, strumentali e non, si costruisce la conoscenza delle metodologie di misura, consentendo di gestire con autonomia semplici esperienze di laboratorio. Le esperienze saranno proposte in modo che sia lo studente a progettare il metodo migliore per effettuare le misure delle grandezze fisiche, tenendo conto del tipo di misura e della strumentazione. Particolare enfasi verrà data alla progettazione della misura, al quaderno di laboratorio e alla compilazione della relazione scientifica finale.
Programma esteso
I semestre
1. I materiali: cosa sono e perché studiarli.
Differenza tra Scienza e Tecnologia dei materiali.
Alcuni esempi fuori dal comune: la bussola dei vichinghi, la katana, il vaso di Licurgo, la polvere pirica.
2. Proprietà dei materiali naturali e sintetici.
Fisico-chimiche, meccaniche e tecnologiche.
3. Materiali cristallini e amorfi.
Metalli, superconduttività, leghe a memoria di forma e autoassemblanti.
Semiconduttori, elettronica e optoelettronica, energia.
Isolanti, sensori (luce e gas), ceramiche (termici), vetri (amorfi, intelligenti).
4. Smart and functional materials.
Polimeri, naturali, artificiali, sintetici (lineari e ramificati).
Materiali compositi, progettazione, fasi e proprietà.
5. Biomateriali.
Proprietà chimico-fisiche e biocompatibilità.
II semestre
1. La misura.
Misure dirette ed indirette, grandezze fisiche, unità di misura, caratteristiche e criteri di scelta degli strumenti di misura, sensibilità, precisione, prontezza, dinamica; errori sistematici e casuali, intervalli di confidenza; ordini di grandezza e cifre significative.
2. Studio delle incertezze nelle misure.
Propagazione degli errori (somma, differenza, prodotto, quoziente, somma in quadratura, funzione di una e due variabili); errore come differenziale. Errori di misura e loro rappresentazione: intervallo di confidenza, cifre significative, consistenza/discrepanza tra misure, verifica di leggi fisiche.
3. Studio delle incertezze nelle misure.
Trattamento statistico dei dati e loro rappresentazione; analisi statistica degli errori casuali: media e misura della deviazione, varianza e deviazione standard; istogrammi e distribuzioni di frequenze. Frequenza cumulativa. Cenni al trattamento degli errori sistematici.
4. Studio delle incertezze nelle misure.
Frequenza e probabilità, distribuzione limite, densità di probabilità; normalizzazione, valor medio e deviazione standard. Distribuzione Normale: confidenza e deviazione standard, integrale normale degli errori; confronto tra risultati. Media come miglior stima. Distribuzioni di popolazione.
5. Studio delle incertezze nelle misure fisiche.
Medie pesate, rigetto dei dati (criterio di Chauvenet); cenni al metodo dei minimi quadrati e alle regressioni.
6. Introduzione alla teoria della probabilità.
Statistica e probabilità, variabili discrete e continue, il concetto di evento; casi favorevoli e casi possibili, definizione classica e frequentistica di probabilità.
Esperienze di laboratorio
1) Strumenti di misura, analogici e digitali
2) Densità dei solidi
3) Calibrazione di una termocoppia
4) Viscosità della glicerina
5) Tubo di Kundt
Bibliografia
1. J.R. Taylor, Introduzione all'Analisi degli Errori, Ed. Zanichelli, Bologna, 2° ed., 2000.
2. M. Loreti, Teoria degli errori e fondamenti di statistica.
3. Materiale addizionale fornito dal docente.
Metodi didattici
Le attività didattiche sono suddivise in Lezioni in aula e attività pratica di laboratorio. Il corso è da 9 CFU (3 nel primo semestre e 6 nel secondo semestre). Le lezioni in aula sono 3 crediti che corrispondono ad un totale di 24 ore di attività. L'attività pratica di laboratorio è di 6 crediti che corrispondono ad un totale di 72 ore di attività in laboratorio. Le slide utilizzate a supporto delle lezioni in aula verranno caricate con cadenza settimanale sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line. Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Parte delle attività di laboratorio saranno dedicate alla spiegazione degli esperimenti e alla teoria della misura. In laboratorio saranno anche descritti gli strumenti da utilizzare e presentati i programmi di acquisizione e di analisi dati.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione finale si compone di una valutazione in itinere e di un esame orale finale.
- In itinere: al termine del primo semestre verrà effettuato un esame scritto riguardante gli argomenti trattati nella prima parte del corso e sarà valutato mediante un giudizio in scala 15-30.
- l’esame finale comprenderà la valutazione di relazioni di gruppo sull’attività svolta in laboratorio (1 per ogni esperimento) che saranno valutate mediante un giudizio in scala 0-30. Qualora, a fine corso, la valutazione complessiva delle relazioni dei due semestri non fosse sufficiente, potranno venire proposte, a seconda dei casi, prove pratiche di laboratorio ad affiancare la prova orale.
- colloquio orale finale (valutazione in scala 0-30) in cui lo studente dovrà discutere alcune tra le esperienze svolte e rispondere a quesiti sulla parte teorica.
La valutazione finale risulterà dalla media ponderata dei giudizi acquisiti nella prova in itinere, nelle relazioni svolte dal gruppo e dall’esito del colloquio d’esame (25%, 25%, 50%).
La valutazione dell'apprendimento sarà focalizzata sulla valutazione dei risultati attesi, in accordo con i descrittori di Dublino. Il voto finale sarà dato in trentesimi e varierà da 18/30 a 30/30 con lode. L'obiettivo della prova d'esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento delle conoscenze, competenze e abilità indicate. Il voto sarà espresso, secondo il seguente schema di valutazione:
- Ottimo (30-30 e lode): Ottima conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Ottima capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Eccellenti capacità espositive.
- Molto buono (27-29): Buona conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Buona capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Ottime capacità espositive.
- Buono (24-26): Buona conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Discreta capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Buone capacità espositive.
- Discreto (21-23): Discreta conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Limitata capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche.
- Sufficiente (18-20): Conoscenza minima degli argomenti trattati e limitata capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti.
- Insufficiente (<18): Manca di una conoscenza accettabile degli argomenti trattati e/o non dimostra una sufficiente capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi.
Altre informazioni
La partecipazione attiva dello studente alle esperienze di laboratorio costituisce parte essenziale ed irrinunciabile del corso, nonché del percorso di valutazione. In presenza di condizioni particolari (per esempio, nel caso di studenti lavoratori) può essere valutata l’opportunità di realizzare percorsi personalizzati. Per poter accedere alla valutazione finale è necessaria la partecipazione al 70% delle attività di laboratorio. Se le assenze dovessero precludere completamente la partecipazione ad uno o più esperimenti, possono essere valutate attività di recupero.
