Cinematica. I Principi della Dinamica. Lavoro ed energia. Dinamica dei sistemi. Corpi rigidi. Gravitazione. Oscillazioni. Elementi di meccanica dei fluidi.
Sistemi termodinamici. I Principi della Termodinamica.
Fenomeni elettrici. Il potenziale elettrostatico. Conduttori e condensatori. Correnti elettriche stazionarie. Campi magnetici stazionari. Campi elettromagnetici. Onde elettromagnetiche.
Testi di riferimento per la teoria:
1-a) W. E. Gettys, G. Vannini, Fisica 1. Meccanica e termodinamica, Editore: McGraw-Hill Education, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788838668838
1-b) W. E. Gettys, G. Cantatore, L. Vitale, Fisica 2. Elettromagnetismo - onde - ottica, Editore: McGraw-Hill Education, Anno edizione: 2011, ISBN: 9788838665721
2) R. A. Serway, J. W. Jewett, Principi di fisica, Editore: EdiSES, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788879598644
3) D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fondamenti di Fisica. Meccanica - onde - termodinamica - elettromagnetismo - ottica, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788808182296
Testi di riferimento per gli esercizi:
1-a) C. Mencuccini, V. Silvestrini, Esercizi di fisica. Meccanica e Termodinamica. Interamente svolti, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2017, ISBN: 9788808287021
1-b) C. Mencuccini, V. Silvestrini, Esercizi di fisica. Elettromagnetismo e Ottica. Interamente svolti, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2016, ISBN: 9788808187031
Approfondimento:
1-a) S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa, Fisica Generale. Meccanica e Termodinamica, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2014, ISBN: 9788808182159
1-b) S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, Fisica Generale. Elettromagnetismo, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2003, ISBN: 9788808086198
1-c) S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, Fisica Generale. Onde e Ottica, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2010, ISBN: 9788808181497
2-a) C. Mencuccini, V. Silvestrini, Fisica I. Meccanica - Termodinamica. Corso di fisica per le facoltà scientifiche corredato di esempi ed esercizi, Editore: Liguori Editore, Anno edizione: 2006, ISBN: 9788820714932
2-b) C. Mencuccini, V. Silvestrini, Fisica II. Elettromagnetismo - Ottica. Corso di fisica per le facoltà scientifiche corredato di esempi ed esercizi, Editore: Liguori Editore, Anno edizione: 1999, ISBN: 9788820716332
Obiettivi Formativi
a) Obiettivo strumentale: introdurre i concetti fondamentali della Fisica Generale. Nel corso sono trattati sia gli aspetti concettuali, necessari per approfondire tematiche inerenti il dibattito scientifico moderno, sia quelli applicativi, utili nel proseguimento degli studi del Corso di Laurea Magistrale in CTF. Questi strumenti saranno immediatamente utilizzati dallo studente nello studio di tutte le altre discipline a contenuto fisico-matematico.
b) Obiettivo formativo: mostrare la struttura logica tipica dei problemi di Fisica Generale, abituare al necessario rigore nella discussione e verifica dei risultati, mentalità fondamentale per un uso critico e consapevole di qualsiasi modello, fisico-matematico e non.
c) Consolidamento delle conoscenze fisiche di base: acquisire i primi elementi relativi al metodo scientifico e all’approccio formale alla soluzione quantitativa dei problemi tecnico-scientifici.
d) Obiettivo metodologico: acquisire una metodologia che permetta allo studente di affrontare in modo corretto, consultando opportuni testi, anche tematiche relativamente nuove via via incontrate negli studi successivi.
Risultati dell’apprendimento attesi: al termine del corso, lo studente avrà appreso gli elementi fondamentali del metodo sperimentale, le leggi fisiche di base e avrà avuto modo di vedere diverse applicazioni delle stesse in campi inerenti al corso di studio.
Prerequisiti
Benché nessuna propedeuticità sia richiesta, è importante che lo studente possieda:
1) nozioni fondamentali di matematica e geometria acquisite nella scuola superiore. In particolare:
a) Algebra: calcolo letterale; polinomi ed operazioni su di essi; radice n-esima aritmetica, potenze a esponente razionale, loro proprietà; valore assoluto e sue proprietà; risoluzione di equazioni e disequazioni (primo e secondo grado, con moduli, algebriche, fratte, irrazionali...);
b) Trigonometria: concetti di base, funzioni trigonometriche elementari, identità notevoli della trigonometria, applicazioni geometriche della trigonometria, equazioni e disequazioni trigonometriche;
c) Geometria analitica: coordinate cartesiane, equazione della retta, della circonferenza, cenni alle coniche; significato geometrico di equazioni e sistemi di equazioni in due incognite;
d) Funzioni elementari: conoscere e saper costruire i grafici di rette, parabole, funzioni potenza, esponenziale, logaritmo; funzioni trigonometriche elementari;
e) Analisi matematica: calcolo di limiti, derivate, integrali, matrici, risoluzione di equazioni differenziali;
2) concetti elementari di fisica acquisiti nella scuola superiore.
Metodi Didattici
Le lezioni di teoria saranno svolte con l'ausilio della lavagna e tramite proiezioni di diapositive.
È previsto un servizio di tutoraggio in cui verranno svolti esercizi di fisica generale insieme al tutor incaricato.
Altre Informazioni
La frequenza alle lezioni è obbligatoria.
Si consiglia di seguire almeno il corso di "B012197 - MATEMATICA,STATISTICA E LABORATORIO DI INFORMATICA" prima di sostenere l’esame del corso di Fisica.
Durante il corso è previsto un servizio di tutoraggio in cui verranno svolti esercizi di fisica generale insieme al tutor incaricato.
Nella pianificazione degli esami da sostenere si ponga particolare attenzione alla propedeuticità: l’esame del corso di Fisica è propedeutico per l'esame del corso "B016519 - CHIMICA FISICA" (II Anno II Semestre) e in generale per tutti i corsi del III Anno.
Modalità di verifica apprendimento
L'esame consiste in una prova scritta, con esercizi da svolgere, e in una successiva (solo nel caso in cui lo scritto sia ritenuto sufficiente) prova orale, con teoria da discutere ed esercizi da svolgere.
La prova orale deve essere sostenuta nella stessa sessione di esame della scritta. In caso di esito negativo della prova orale, quella scritta dovrà essere ripetuta.
Durante il semestre saranno effettuate 3 prove in itinere (esercizi da svolgere). La partecipazione a tutte e 3 le prove con una valutazione media finale maggiore o uguale a 18 dà diritto all'esonero per la prova scritta finale.
L'esonero per la prova scritta, garantito dal superamento delle prove in itinere, vale fino alla sessione di autunno compresa. In caso di esito negativo della prova orale, sarà necessario sostenere di nuovo una prova scritta.
Programma del corso
Introduzione
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Grandezze fisiche
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La Fisica come scienza fondamentale. Caratteristiche peculiari della Fisica. Metodo scientifico. Leggi della Fisica e Principi. Grandezze fisiche e loro misurazione. Metodi di misurazione: misure dirette e misure indirette. Definizione operativa di una grandezza fisica. Errori nelle misurazioni: errori sistematici ed errori casuali. Precisione ed accuratezza di una serie di misurazioni. Notazione scientifica, ordini di grandezza e cifre significative. Dimensioni delle grandezze fisiche: Leggi fisiche ed analisi dimensionale. Sistemi di unità di misura. Tempo. Lunghezza. Massa. Strategie per la risoluzione dei problemi in Fisica.
Calcolo vettoriale
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Grandezze scalari e vettoriali. Notazioni e definizioni vettoriali. Operazioni tra vettori: somma e differenza di vettori, prodotto di uno scalare per un vettore, prodotto scalare, prodotto vettoriale. Versori. Scomposizione di vettori. Rappresentazione cartesiana ortogonale. Espressioni cartesiane delle operazioni fra vettori. Derivazione e integrazione di vettori. Calcolo differenziale: funzioni ad una e a più variabili. Operatori differenziali: gradiente, divergenza, rotore. Operatore Nabla.
Meccanica
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Cinematica: moto in una dimensione
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Moto e sistemi di riferimento. Schema del punto materiale. Posizione e spostamento in una dimensione. Grafico spazio-tempo. Velocità: velocità media e velocità istantanea in una dimensione. Grafico velocità-tempo. Calcolo della posizione a partire dalla velocità. Moto rettilineo uniforme. Accelerazione: accelerazione media e accelerazione istantanea in una dimensione. Grafico accelerazione-tempo. Moto accelerato e moto decelerato. Calcolo della velocità a partire dalla accelerazione. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Gravi: corpi in caduta libera.
Cinematica: moto in due e tre dimensioni
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Posizione e spostamento in due e tre dimensioni. Velocità: velocità media e velocità istantanea in due e tre dimensioni. Accelerazione: accelerazione media e accelerazione istantanea in due e tre dimensioni. Problema generale del moto. Moti con accelerazione costante in due dimensioni: il moto balistico. Moto circolare uniforme. Velocità angolare. Moti periodici: periodo, frequenza e pulsazione. Velocità, accelerazione centripeta e tangenziale in un moto curvilineo. Moti relativi: moto relativo di traslazione rettilinea e moto relativo di rotazione uniforme.
I Principi della Dinamica
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Interazioni e ambiente. Forze: forze a contatto e forze a distanza. Definizione operativa e misura statica delle forze: il dinamometro. Principio di sovrapposizione. Principio di relatività e covarianza delle leggi fisiche. Sistemi di riferimento inerziali. Primo Principio della Dinamica (Principio di inerzia). Secondo Principio della Dinamica (Principio di proporzionalità). Massa inerziale e massa gravitazionale. Massa e peso. Misura dinamica delle forze. Terzo Principio della Dinamica (Principio di azione e reazione). Forze di tensione e reazioni vincolari (vincolo liscio e vincolo scabro). Applicazione dei Principi della Dinamica: problemi con piani inclinati e pulegge. Statica. Diagramma di corpo libero. Forze di contatto tra superfici piane di corpi solidi: forza normale, forza di attrito statico, forza di attrito dinamico. Dinamica del moto circolare uniforme. Dinamica nei sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti. Forza centrifuga. Forze fondamentali della Natura.
Lavoro ed energia
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Lavoro di una forza. Lavoro compiuto da una forza costante e da una forza variabile in una dimensione. Forza elastica. Lavoro compiuto dalla forza elastica. Espressione generale del lavoro. Principio di indipendenza delle azioni simultanee. Lavoro compiuto dalla forza gravitazionale. Lavoro nel moto circolare uniforme. Energia cinetica e teorema delle forze vive. Potenza.
Conservazione dell’energia
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Forze conservative e forze non conservative. Sistemi conservativi unidimensionali: energia potenziale ed energia meccanica. Energia potenziale gravitazionale. Energia potenziale elastica. Istogrammi dell’energia. Analisi grafica dei sistemi conservativi: equilibrio e stabilità. Forze conservative ed energia potenziale: caso generale. Definizioni equivalenti di forza conservativa. Conservazione dell’energia meccanica. Forze non conservative e lavoro interno. Principio di conservazione dell’energia.
La gravitazione
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Cenni storici: la teoria della gravitazione e il metodo scientifico. Modello eliocentrico del sistema solare. Dipendenza della forza di gravità dalla distanza. Dipendenza della forza di gravità dalla massa. Legge di gravitazione universale per corpi puntiformi. Legge di gravitazione universale per corpi estesi. Costante di gravitazione universale. Gravità in prossimità della superficie terrestre. Forze centrali a simmetria sferica. Campo gravitazionale. Energia potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero e Legge di gravitazione universale di Newton. Moto orbitale. Moto dei satelliti: energia di legame e velocità di fuga.
Dinamica dei sistemi
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Centro di massa in sistemi discreti. Proprietà del centro di massa. Centro di massa in sistemi continui. Densità. Centro di massa in sistemi continui e omogenei. Quantità di moto. Quantità di moto e i primi due Principi della Dinamica. Teorema dell’impulso. Moto del centro di massa. Primo teorema del centro di massa. Forze interne e forze esterne ad un sistema. Prima equazione della dinamica dei sistemi. Secondo teorema del centro di massa. Moto rototraslatorio. Conservazione della quantità di moto. Urti. Conservazione di grandezze dinamiche negli urti. Urto elastico in una dimensione. Urti anelastici in una dimensione. Urti in due e tre dimensioni.
Equilibrio statico di un corpo rigido
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Sistemi estesi ed equilibrio. Sistema rigido. Sistemi rigidi ed equilibrio. Momento di un vettore applicato. Momento di una forza. Momento di una forza e rotazioni di corpi rigidi. Coppia di forze. Statica dei corpi rigidi: equazioni fondamentali della Statica.
Cinematica del moto rotatorio
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Gradi di libertà. Moto traslatorio, rotatorio e rototraslatorio di un corpo rigido. Misura degli angoli. Posizione, spostamento, velocità e accelerazione angolari. Cinematica della rotazione intorno ad un asse fisso. Relazione tra grandezze lineari e grandezze angolari. Energia cinetica di rotazione. Momento d’inerzia in sistemi discreti. Momento d’inerzia in sistemi continui. Momento d’inerzia in sistemi continui e omogenei. Momenti d’inerzia rappresentativi. Teorema di Huygens-Steiner. Rotolamento di un corpo rigido senza strisciamento. Moti rototraslatori. Energia cinetica di rotolamento di un corpo rigido.
Dinamica del moto rotatorio
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Momento angolare (momento della quantità di moto). Momento angolare di un punto materiale. Momento angolare e momento delle forze applicate per un punto materiale. Secondo Principio della Dinamica (analogo rotatorio per un punto materiale). Momento angolare in sistemi discreti. Momento angolare in sistemi continui. Momento angolare in sistemi continui e omogenei. Momento risultante delle forze interne al sistema. Secondo Principio della Dinamica (analogo rotatorio per un sistema di punti materiali). Terzo teorema del centro di massa. Equazioni cardinali della Meccanica. Dinamica della rotazione di un corpo rigido intorno ad un asse fisso. Equazione del moto rotatorio. Sistemi isolati e terzo Principio della Dinamica. Forze centrali. Conservazione del momento angolare. Momento assiale di una forza applicata. Lavoro ed energia per un corpo rigido in rotazione. Lavoro ed energia per un sistema qualunque di corpi. Energia meccanica totale per un sistema di corpi.
Moto oscillatorio
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Cinematica del moto armonico. Dinamica del moto armonico. Energia dell’oscillatore armonico. Corpo appeso a una molla verticale. Pendolo semplice. Moto armonico e moto circolare uniforme. Moto armonico smorzato. Oscillazioni forzate e risonanza.
Meccanica dei fluidi
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Fluidi. Densità. Pressione. Pressione in un fluido statico. Pressione in un fluido incomprimibile. Legge di Stevino e Principio di Pascal. Pressione atmosferica. Misurazioni di pressione. Principio di Archimede. Dinamica dei fluidi. Equazione di continuità. Teorema di Bernoulli. Applicazioni del Teorema di Bernoulli. Fluidi reali. Viscosità.
Termodinamica
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Temperatura, calore e primo Principio della Termodinamica
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Descrizione microscopica e macroscopica di un sistema. Variabili di stato di un sistema. Pareti adiabatiche e diatermiche: equilibrio termico. Temperatura e Principio zero della Termodinamica. Termometri e scala della temperatura del gas perfetto. Dilatazione termica. Calore. Trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Equilibrio termodinamico, trasformazioni termodinamiche ed equazioni di stato. Equazione di stato dei gas perfetti. Gas reali. Piano di Clapeyron. Calore specifico a pressione e a volume costante. Capacità termica molare. Calore latente. Lavoro e trasformazioni termodinamiche. Primo Principio della Termodinamica. Energia interna. Applicazioni del primo Principio della Termodinamica: trasformazione isocora quasi-statica, trasformazione isobara quasi-statica, trasformazione adiabatica quasi-statica, trasformazione isoterma quasi-statica. Espansione libera. Aspetti microscopici.
Entropia e secondo Principio della Termodinamica
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Macchine termiche e secondo Principio della Termodinamica (enunciato di Kelvin-Planck). Macchine frigorifere e secondo Principio della Termodinamica (enunciato di Clausius). Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Ciclo di Carnot. Prestazioni delle macchine termiche e di quelle frigorifere. Entropia. Entropia e sistemi isolati. Entropia e secondo Principio della Termodinamica.
Elettromagnetismo
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Campo elettrico
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Carica elettrica e materia. Isolanti e conduttori. Leggi fondamentali dell'elettrostatica. Quantizzazione della carica elettrica. Conservazione della carica elettrica. Legge di Coulomb. Principio di sovrapposizione. Confronto tra forza gravitazionale ed elettrostatica. Campo elettrico. Campo elettrico generato da una o più cariche puntiformi. Dipolo elettrico. Campo elettrico generato da una distribuzione continua di carica. Linee di forza del campo elettrico. Moto di una particella carica in un campo elettrico uniforme. Moto di un dipolo elettrico in un campo elettrico uniforme.
Legge di Gauss
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Proprietà elettrostatiche di un conduttore. Conduttori in equilibrio elettrostatico. Campo e carica all'interno di un conduttore. Campo nelle immediate vicinanze di un conduttore. Campo elettrico generato da una distribuzione uniforme di carica disposta su un piano infinitamente esteso (strato piano). Campo elettrico generato da due piani paralleli infinitamente estesi su cui è disposta una densità di carica uniforme, uguale in modulo ma opposta in segno (doppio strato piano). Schermatura elettrostatica. Flusso di un campo vettoriale. Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss. Deduzione della Legge di Gauss dalla Legge di Coulomb. Legge di Gauss in forma differenziale. Applicazione della Legge di Gauss a distribuzioni simmetriche di cariche.
Potenziale elettrico
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Energia potenziale elettrica. Potenziale elettrico. Potenziale elettrico prodotto da una carica puntiforme. Potenziale elettrico prodotto da una distribuzione di particelle cariche. Potenziale elettrico prodotto da una distribuzione continua di carica. Differenza di potenziale elettrico. Relazione tra campo e potenziale elettrico. Superfici equipotenziali. Superfici equipotenziali nei conduttori.
Circuiti in corrente continua
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Conduttori, capacità e condensatori. Proprietà elettrostatiche e descrizione molecolare dei dielettrici. Intensità di corrente elettrica. Circuiti in corrente continua. Generatori di forza elettromotrice. Resistenza e resistività. Legge di Ohm. Circuiti elettrici. Energia e potenza nei circuiti elettrici. Resistenze in serie e in parallelo. Condensatori in serie e in parallelo. Misure di corrente, tensione e resistenza. Carica e scarica di un condensatore in un circuito RC. Leggi di Kirchhoff.
Campo magnetico
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Magnetismo. Campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico uniforme. Moto di una particella carica in presenza di campi elettrici e magnetici. Forza di Lorentz. Spettrometro di massa. Forza magnetica su un conduttore percorso da corrente continua. Seconda Legge elementare di Laplace. Momento delle forze agente su una spira percorsa da corrente continua in un campo magnetico uniforme. Campo magnetico prodotto da correnti stazionarie. Legge di Biot-Savart e prima Legge elementare di Laplace. Campo magnetico generato da un filo rettilineo indefinito percorso da corrente continua. Campo magnetico generato sul proprio asse da una spira circolare percorsa da corrente continua. Legge di Ampère. Campo magnetico in un solenoide percorso da corrente continua. Forza magnetica agente tra fili paralleli percorsi da corrente continua. Forza magnetica agente tra spire percorse da corrente continua. Equivalenza fra spire e aghi magnetici. Flusso magnetico e Legge di Gauss per i campi magnetici.
Campi elettromagnetici ed onde elettromagnetiche
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Induzione elettromagnetica tra circuiti. Legge di Faraday. Legge di Lenz. Forza elettromotrice dinamica. Onde elettromagnetiche. Emissione e rivelazione di onde elettromagnetiche. Onde elettromagnetiche piane. Velocità della luce. Campi elettrici e magnetici nelle onde piane. Energia nei campi elettromagnetici. Spettro della radiazione elettromagnetica.
Ottica
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Ottica ondulatoria
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Polarizzazione delle onde elettromagnetiche. Misura della polarizzazione. Legge di Malus. Polarizzatori. Interferenza tra onde elettromagnetiche. Interferenza tra onde elettromagnetiche piane e tra onde elettromagnetiche sferiche. Principio di Huygens-Fresnel. Esperimento della doppia fenditura di Young. Interferenza di onde riflesse. Interferenza su pellicole sottili. Reticolo di diffrazione. Diffrazione. Figura di diffrazione prodotta da una singola fenditura.
Ottica geometrica
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Fronti d’onda e raggi luminosi. Riflessione della luce. Legge della riflessione. Rifrazione della luce. Legge di Snell. Riflessione interna totale. Formazione delle immagini per riflessione. Immagini reali e immagini virtuali. Specchi. Specchi piani. Specchi sferici convessi e concavi. Equazione degli specchi. Formazione delle immagini per rifrazione. Lenti. Lenti convergenti e divergenti. Lenti sottili. Equazione delle lenti sottili. Sistemi di lenti sottili.