Fisica I con laboratorio (2009/2010)

Codice insegnamento
4S02750
Crediti
12
Coordinatore
Gino Mariotto
Settore disciplinare
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Lingua di erogazione
Italiano
L'insegnamento è organizzato come segue:
Attività Crediti Periodo Docenti
Teoria 9 II semestre Gino Mariotto
Laboratorio 3 II semestre Marco Giarola

Orario lezioni

II semestre
Attività Giorno Ora Tipo Luogo Note
Teoria lunedì 15.30 - 17.30 lezione Aula E  
Teoria martedì 14.30 - 16.30 lezione Aula E  
Teoria mercoledì 15.30 - 17.30 lezione Aula E  
Teoria giovedì 14.30 - 16.30 lezione Aula E  
Teoria venerdì 15.30 - 17.30 lezione Aula E  

Obiettivi formativi

Il corso è rivolto agli studenti del corso di Laurea triennale Matematica Applicata. Scopo del corso è la presentazione dei fondamenti del metodo sperimentale, della meccanica classica e della termodinamica.
Gli obiettivi formativi sono realizzati mediante attività didattiche (lezioni ed esercitazioni) tenute durante il secondo quadrimestre per un numero complessivo 12 CFU, articolate su due moduli svolti in parallelo: A) uno di teoria (9 CFU) e B)uno di laboratorio (3 CFU)

A) Modulo di teoria:
Il modulo di teoria fornisce le conoscenze di base, attraverso la derivazione delle leggi e dei principi che governano il moto dei corpi e le trasformazioni dei sistemi termodinamici, nonché gli elementi utili alla risoluzione di esercizi e problemi. Per aiutare lo studente nella comprensione e nell'apprendimento delle leggi e dei principi della meccanica e della termodinamica, durante le lezioni frontali verrà fatto frequentemente ricorso alla fenomenologia. Il corso è integrato da esercitazioni che avranno per oggetto la soluzione di esercizi e problemi tali da mettere lo studente in condizioni di affrontare e superare la prova scritta dell'esame finale.

B) Modulo di laboratorio:
Il modulo di laboratorio intende fornire gli elementi essenziali del metodo sperimentale, dimostrando che la fisica è una scienza quantitativa basata sulla misura di grandezze fisiche e sulla valutazione delle incertezze di misura dovute alla risoluzione dello strumento e alla presenza di errori casuali. Esso prevede l’esecuzione di alcune sperimentazioni in laboratorio aventi per oggetto la misura di alcune grandezze fisiche, quali il periodo di oscillazione di un pendolo e dell’accelerazione di gravità g.

Programma

1. Meccanica

1.1 - Grandezze fisiche e loro misura: Note introduttive sul metodo sperimentale. Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Unità di misura. Definizione operativa delle grandezze fisiche. Sistemi di unità di misura. Il sistema internazionale (S.I.). Scalari e vettori. Operazioni con i vettori: somma, prodotto scalare e prodotto vettoriale. Generalità sulle leggi fisiche. Analisi dimensionale. Rappresentazione tabulare e grafica. Ordini di grandezza.

1.2 - Cinematica del punto materiale: Relatività del moto. Sistemi di riferimento. Validità sperimentale della geometria euclidea. Sistemi in coordinate cartesiane, polari e cilindriche. Trasformazioni delle coordinate di un punto fra diversi sistemi di riferimento. Posizione, spostamento e velocità. Concetto di punto materiale. Legge oraria del moto. Traiettoria. Moto rettilineo e curvilineo.
Moto unidimensionale (rettilineo e circolare). Posizione istantanea e spostamento. Derivazione delle grandezze cinematiche a partire dalla legge oraria. Velocità e accelerazione scalare media e istantanea. Dall'accelerazione alla velocità e alla legge oraria. Condizioni iniziali. Moto uniforme e uniformemente accelerato. Accelerazione di gravità g. Moto armonico semplice.
Moto in tre dimensioni. Sistemi di riferimento in coordinate cartesiane e polari. Equazioni parametriche del moto. Velocità e accelerazione vettoriali medie e istantanee. Moti ad accelerazione costante. Moto curvilineo in coordinate intrinseche. Componenti tangenziale e normale dell'accelerazione. Moto curvilineo piano in coordinate polari. Componenti radiale e trasversale della velocità. Moto circolare: velocità ed accelerazione angolare. Moto circolare uniforme: periodo e frequenza di rivoluzione. Moto circolare in notazione vettoriale. Regola di Poisson.

1.3 - Moti relativi: Sistemi di riferimento assoluti e raltivi. Spostamento, velocità e accelerazione di trascinamento. Moto relativo traslatorio uniforme ed uniformemente accelerato. Trasformazioni di Galileo: invarianza dell'accelerazione. Principio di relatività classica.
Moto relativo roto-traslatorio. Trasformazioni della velocità e accelerazione. Moto rotatorio uniforme: accelerazione centrifuga e di Coriolis.

1.4 - Dinamica del punto materiale: Concetto di massa. Particella libera. Principio di inerzia. Interazione fra due particelle. Concetto di forza. Legge di Newton. Principio di azione e reazione. Impulso e quantità di moto. Teorema dell'impulso. Classificazione delle forze esistenti in natura. Definizione operativa di forza. Equazione del moto di una particella. Risultante delle forze applicate. Equilibrio statico e dinamico. Vincoli e reazioni vincolari. Forze d'attrito statico e dinamico. Attrito viscoso. Forze elastiche. Oscillatore orizzontale e verticale. Pendolo semplice. Sistemi di riferimento non inerziali. Forza di trascinamento e forze fittizie.
Momento della quantità di moto, momento di una forza e teorema del momento angolare. Forze centrali. Conservazione del momento angolare. Legge di gravitazione universale di Newton e leggi di Keplero.

1.5 - Energia e Lavoro: Integrali primi della forza: impulso e lavoro. Potenza. Unità di misura del lavoro e della potenza. Energia cinetica. Teorema dell’energia cinetica. Lavoro di una forza costante. Lavoro di una forza elastica e di una forza centrale. Forze conservative. Energia potenziale Proprietà della funzione energia potenziale. Relazione fra energia potenziale e forza. Principio di conservazione dell'energia meccanica. Lavoro di una forza non-conservativa.
Campi di forze centrali. Natura conservativa di un campo di forze centrali. Energia potenziale gravitazionale. Moto sotto l’azione della forza gravitazionale. Velocità di fuga dalla terra.

1.6 - Dinamica dei sistemi di particelle: Sistemi discreti e sistemi continui. Generalizzazione dei risultati relativi alla dinamica di una particella a un sistema discreto di particelle. Sistemi di equazioni di Newton. Grandezze collettive: quantità di moto, momento angolare e energia cinetica totale. Forze interne e forze esterne. Principio di azione e reazione per un sistema di punti materiali. Equazioni cardinali della dinamica di un sistema di particelle. Condizioni di equilibrio per un sistema di punti materiale. Centro di massa (CM): definizione e sue proprietà. Sistema di riferimento del laboratorio (sistema L) e del CM (sistema C). Teoremi di König. Moto del CM e moto rispetto al CM. Energia cinetica di un sistema di particelle. Lavoro delle forze agenti su un sistema di particelle. Lavoro delle forze interne e delle forze esterne. Energia potenziale delle forze interne ed esterne. Energia propria. Energia interna. Energia totale meccanica. Problema dei due corpi: massa ridotta.
Proprietà dei sistemi di forze. Coppia di forze. Centro di forze e centro di gravità.
Urti tra due particelle. Approssimazione di impulso. Forze interne ed esterne. Conservazione della quantità di moto totale e dell'energia cinetica del CM. Urti centrali elastici e completamente anelastici. Urti tra particelle libere e corpi vincolati. Conservazione del momento della quantità di moto.


2. Termodinamica

2.1 - Primo principio della termodinamica: Sistemi e stati termodinamici. Sistema e ambiente. Universo termodinamico. Sistemi aperti, chiusi e isolati. Variabili termodinamiche: concentrazione, pressione, volume e temperatura. Concetto di pressione idrostatica. Concetto di temperatura. Principio dell’equilibrio termico. Definizione operativa di temperatura. Contatto termico. Punti fissi. Scale termometriche: scale Celsius e Kelvin. Termometri. Stati di equilibrio termodinamico. Variabili di stato. Equazioni di stato.
Equivalenza fra lavoro e calore. Primo principio della termodinamica. Energia interna. Conservazione dell'energia di un sistema termodinamico. Trasformazioni termodinamiche. Lavoro e calore. Lavoro termodinamico: sua dipendenza dalla trasformazione termodinamica. Lavoro per trasformazioni reversibili ed irreversibili. Elementi di calorimetria. Temperature e calore. Capacità termica e quantità di calore scambiata. Calori specifici molari e calore specifico di un solido. Processi isotermi. Cambiamenti di fase. Calori latenti.

2.2 - Gas ideali: Gas ideali o perfetti: definizione e proprietà. Leggi dei gas. Equazione di stato di un gas perfetto. Trasformazioni di un gas. Lavoro e calore. Energia interna di un gas perfetto. Calori specifici molari dei gas ideali. Relazione di Mayer. Il primo principio della termodinamica per un gas perfetto. Trasformazioni termodinamiche reversibili ed irreversibili di un gas perfetto. Trasformazioni isoterme, isocore e isobare. Trasformazioni adiabatiche. Applicazione del primo principio nelle trasformazioni reversibili dei gas ideale: isoterma, isocora, isobara. Trasformazione adiabatica reversibile di un gas perfetto. Rappresentazione nel piano di Clepeyron. Trasformazioni cicliche di un gas. Cicli termici e cicli frigoriferi. Rendimento di un ciclo termico. Ciclo di Carnot.

2.3 - Secondo principio della termodinamica: Macchine termiche e macchine frigorifere. Sorgenti di calore e termostati. Enunciati del secondo principio della termodinamica. Equivalenza fra l'enunciato di Kelvin-Planck e di Clausius. Teorema di Carnot. Rendimento massimo. Diseguaglianza di Clausius.
Entropia. Definizione e proprietà. Calcolo della variazione di entropia. Entropia di un gas ideale. Trasformazioni adiabatiche. Scambi di calore con sorgenti. Entropia dell'universo termodinamico.

Modalità d'esame

A) Modulo di teoria.
L’esame consiste nel superamento di una prova scritta e di una prova orale, alla quale s i accede solo dopo aver superato la prova scritta. La prova scritta ha validità limitata a tre appelli d’esame, compreso quello in cui lo scritto è stato superato. La prova scritta si intende superata quando il voto riportato non è inferiore a 18/30.

Prova scritta: risoluzione di alcuni problemi tipici di meccanica del punto materiale, dei sistemi e del corpo rigido, e di termodinamica.

Prova orale: consiste in un colloquio con domande sul programma svolto in aula.

Per il modulo di teoria è prevista una valutazione complessiva ottenuta facendo la media aritmetica delle due prove sostenute.

B) Modulo di laboratorio.
Per l'esame relativo al modulo di laboratorio si procederà alla valutazione di uno o più rapporti redatte dallo studente relativi ai risultati degli esperimenti svolti in laboratorio.

C) Il voto finale sarà la media pesata sui CFU dei voti riportati nelle prove di valutazione previste nell’ambito dei due moduli A e B.


Libri di testo consigliati.

Qualunque testo di Fisica Generale l'Università, per esempio:

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
Elementi di Fisica: Meccanica e Termodinamica
EdiSES, Napoli Ed. 2001, (ultima ristampa).

Materiale didattico
Titolo Formato (Lingua, Dimensione, Data pubblicazione)
Appunti sul moto armonico semplice  pdfpdf (it, 64 KB, 26/03/10)
Appunti sul moto curvilineo nello spazio in tre dimensioni  pdfpdf (it, 49 KB, 17/03/10)
Appunti sul moto piano  pdfpdf (it, 42 KB, 17/03/10)
Appunti sul moto relativo  pdfpdf (it, 82 KB, 26/03/10)
Avviso: Correzione prova scritta del 6 Settembre 2010:  pdfpdf (it, 6 KB, 07/09/10)
Avviso di esercitazioni supplementari  pdfpdf (it, 6 KB, 23/06/10)
Esercizi e problemi di cinematica in due dimensioni (moto circolare)  pdfpdf (it, 23 KB, 17/03/10)
Esercizi e problemi di cinematica in due dimensioni (moto parabolico)  pdfpdf (it, 25 KB, 17/03/10)
Esercizi e problemi di cinematica in una dimensione (moto circolare)  pdfpdf (it, 20 KB, 17/03/10)
Esercizi e problemi di cinematica in una dimensione (moto rettilineo)  pdfpdf (it, 21 KB, 17/03/10)
Esercizi e problemi di dinamica dei sistemi di punti materiali  pdfpdf (it, 58 KB, 14/05/10)
Esercizi e problemi di dinamica del corpo rigido  pdfpdf (it, 30 KB, 11/06/10)
Esercizi e problemi di dinamica del punto materiale  pdfpdf (it, 51 KB, 01/04/10)
Esercizi e problemi di dinamica del punto materiale in SRNI  pdfpdf (it, 51 KB, 19/04/10)
Esercizi e problemi di moto relativo rotatorio uniforme  pdfpdf (it, 23 KB, 26/03/10)
Esercizi e problemi di moto relativo traslatorio rettilineo  pdfpdf (it, 23 KB, 26/03/10)
Esercizi e problemi su lavoro ed energia  pdfpdf (it, 49 KB, 30/04/10)
Generalità sul corso di Fisica I  pdfpdf (it, 23 KB, 16/03/10)
Grandezze fisiche e loro misura  pdfpdf (it, 45 KB, 17/03/10)
Moto unidimensionale smorzato esponenzialmente  vnd.ms-powerpointvnd.ms-powerpoint (it, 106 KB, 19/04/10)
Ordini di grandezza  pdfpdf (it, 161 KB, 16/03/10)
Prova scritta di Fisica I del 21 Settembre 2010  pdfpdf (it, 27 KB, 23/09/10)
Prova scritta di Fisica I del 26 Luglio 2010  pdfpdf (it, 30 KB, 27/07/10)
Prova scritta di Fisica I del 6 Luglio 2010  pdfpdf (it, 26 KB, 07/07/10)
Prova scritta di Fisica I del 6 Settembre 2010  pdfpdf (it, 27 KB, 07/09/10)
Prova scritta di Fisica I (Nuovo Ordianamento) del 15 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 28 KB, 22/02/11)
Prova scritta di Fisica I (Nuovo Ordianamento) del 1 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 29 KB, 01/02/11)
Prova scritta di Fisica I (Vecchio Ordianamento) del 15 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 28 KB, 22/02/11)
Prova scritta di Fisica I (Vecchio Ordianamento) del 1 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 31 KB, 01/02/11)
Regole utili per la risoluzione di esercizi e problemi di Fisica Generale  pdfpdf (it, 13 KB, 16/03/10)
Richiami sui vettori  pdfpdf (it, 52 KB, 17/03/10)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 06 Luglio 2010  pdfpdf (it, 9 KB, 12/07/10)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 06 Settembre 2010  pdfpdf (it, 10 KB, 09/09/10)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 15 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 18 KB, 03/03/11)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 1 Febbraio 2011  pdfpdf (it, 18 KB, 04/02/11)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 21 Settembre 2010  pdfpdf (it, 8 KB, 27/09/10)
Risultati della prova scritta di Fisica I del 26 Luglio 2010  pdfpdf (it, 8 KB, 29/07/10)
Scheda di laboratorio (Il pendolo semplice)  pdfpdf (it, 322 KB, 31/05/10)
Scheda di laboratorio (Uso di calibro e micrometro)  pdfpdf (it, 56 KB, 31/05/10)
Turni di laboratorio (Il pendolo semplice)  pdfpdf (it, 8 KB, 10/05/10)
Turno di laboratorio A (Uso di calibro e micrometro)  pdfpdf (it, 7 KB, 10/05/10)
Turno di laboratorio B (Uso di calibro e micrometro)  pdfpdf (it, 7 KB, 10/05/10)

Statistiche per i requisiti di trasparenza (Attuazione Art. 2 del D.M. 31/10/2007, n. 544)

Statistiche esiti
Esiti Esami Esiti Percentuali Media voti Deviazione Standard
Positivi 22.01% 23 2
Respinti --
Assenti 77.98%
Ritirati --
Annullati --
Distribuzione degli esiti positivi
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 30 e Lode
4.1% 0.0% 20.8% 12.5% 12.5% 16.6% 8.3% 8.3% 0.0% 8.3% 4.1% 4.1% 0.0% 0.0%

Valori relativi all'AA 2009/2010 calcolati su un totale di 109 iscritti. I valori in percentuale sono arrotondati al numero intero più vicino.