Physics I with laboratory (2015/2016)

Course code
4S02750
Credits
12
Coordinator
Gino Mariotto
Academic sector
FIS/01 - EXPERIMENTAL PHYSICS
Language of instruction
Italian
Teaching is organised as follows:
Activity Credits Period Academic staff Timetable
teoria 9 II semestre Gino Mariotto
esercitazioni [Esercitazioni I] 1 II semestre Nicola Daldosso
esercitazioni [Esercitazioni II] 1 II semestre Nicola Daldosso
esercitazioni [Laboratorio] 2 II semestre Nicola Daldosso

Lesson timetable

II semestre
Activity Day Time Type Place Note
teoria Monday 8:30 AM - 11:30 AM lesson Lecture Hall A  
teoria Tuesday 8:30 AM - 10:30 AM lesson Lecture Hall E  
teoria Thursday 11:30 AM - 1:30 PM lesson Lecture Hall E  
teoria Thursday 2:30 PM - 3:30 PM lesson Lecture Hall E  
teoria Friday 1:30 PM - 4:30 PM lesson Lecture Hall E from Mar 18, 2016  to Jun 10, 2016
teoria Friday 2:30 PM - 5:30 PM lesson Lecture Hall E from Mar 3, 2016  to Mar 11, 2016

Learning outcomes

Teaching course of Physics I with Laboratory
The course is for the students of the first year of the Laurea triennale in Matematica Applicata. It aims at providing the essential elements of the experimental method, of the classical mechanics and of the thermodynamic The educational objectives are achieved through teaching activities (lectures and exercises, both in the classroom and in the laboratory) held during the second semester for a total number of 12 CFU, divided into two teaching modules carried out in parallel: A) Theory (9 CFU) and B) Laboratory (3 CFU).

A) Module: Theory
The module of Theory provides basic knowledge of Classical Mechanics through the derivation of the laws and principles governing the motion of the bodies, as well as the elements useful for resolving exercises and problems. In the aim to help the student in understanding and learning the laws and principles of mechanics and thermodynamics, during the lectures the teacher will refer in a systematic way to phenomenology. The module is supplemented by a course of exercises having as specific objective the solution of exercises and problems in order to put the student in conditions to face and pass the written test of the final exam.

B) Module: Laboratory
The laboratory module aims at teaching the fundamentals of the experimental method, thus demonstrating that Physics is a quantitative science based on the measurement of physical quantities and on the evaluation of their error due to the resolution limits of the instruments and to the presence of random errors. The course objective is introducing students to the knowledge and the expertise in using laboratory tools by means of setting up and executing simple experiments, which consist in the measurements of physical quantities and their consequent data representation and analysis. It will be demonstrated the validity of simple physics lays by using the appropriate experimental procedure.

Syllabus

Module: Theory
-------

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. 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. Concetto di interazione e 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 della dinamica del punto materiale. 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 materiali. 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. 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. Sistemi rigidi costituiti da due corpi puntiformi.
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. Universo termodinamico. 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: definizione e proprietà. 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 reversibili ed irreversibili. Trasformazioni isoterme, isocore e isobare. Trasformazioni adiabatiche. Applicazione del primo principio. Trasformazioni cicliche. 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.Teorema di Carnot. Rendimento massimo. Diseguaglianza di Clausius.
Entropia. Entropia di un gas ideale. Trasformazioni adiabatiche. Scambi di calore con sorgenti. Entropia dell'universo termodinamico.

Assessment methods and criteria

Module: Theory

The final exam consists of both a written test and an oral interview, to which the student is admitted after having overcome the written test. The written test is considered to be overcome when the related vote achieved by the student is not less than 18/30. Examination methods for the theory module are the same for attending and non-attending students.
The two written and oral exam tests are aimed at ascertaining the level of knowledge acquired by the student within the theory teaching module:
The written test concerns the resolution of some typical problems of mechanics of the particle, of particle systems, and of the rigid body, which include the application of laws and derived principles (both enunciated and demonstrated) during frontal lessons and systematically recalled during the classroom exercises. Part of the written test may be carried out by passing the “in-itinere” assessment test.
The oral examination consists of an interview with questions about the classroom program related to the derivation of physical laws and the demonstration of the theorems and conservation principles of the particle dynamics, of particle systems and of the rigid body.
For the Theory module, the cumulative evaluation is obtained by making the arithmetic mean of the evaluations obtained in both written and oral exceeded tests.

Module: Laboratory

For the lab module, an ongoing and a final group’s report on the simple pendulum experiment is evaluated, the evaluation being also expressed in thirtieths.


The overall assessment of the examination of the teaching course of Physics I with Laboratory will be the average, weighted on the number of the module CFUs, of the marks achieved in the assessment tests for each of the two modules (Theory and Laboratory).

Reference books
Activity Author Title Publisher Year ISBN Note
esercitazioni John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999
esercitazioni Paolo Fornasini The Uncertainty in Physical Measurements (An introduction to data analysis in the Physics Laboratory) Springer 2008 9780387786490
esercitazioni John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999
esercitazioni Paolo Fornasini The Uncertainty in Physical Measurements (An introduction to data analysis in the Physics Laboratory) Springer 2008 9780387786490
esercitazioni John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999
esercitazioni Paolo Fornasini The Uncertainty in Physical Measurements (An introduction to data analysis in the Physics Laboratory) Springer 2008 9780387786490
Teaching aids
Title Format (Language, Size, Publication date)
Appunti sugli Urti fra particelle  pdfpdf (it, 224 KB, 21/06/16)
Appunti sui moti relativi  pdfpdf (it, 75 KB, 31/03/16)
Appunti sui sistemi di due particelle (Problema dei due corpi)  pdfpdf (it, 219 KB, 30/05/16)
Appunti sulla Dinamica dei Sistemi di Punti Materiali  pdfpdf (it, 334 KB, 21/06/16)
Appunti sulle Leggi cardinali della dinamica dei sistemi di punti materiali (bozza)  pdfpdf (it, 223 KB, 26/05/16)
Appunti sul moto circolare in notazione vettoriale  pdfpdf (it, 30 KB, 22/03/16)
Appunti sul moto curvilineo in coordinate cartesiane  pdfpdf (it, 166 KB, 14/03/16)
Appunti sul moto curvilineo in coordinate intrinseche e polari  pdfpdf (it, 201 KB, 14/03/16)
Appunti sul moto periodico e sul MAS  pdfpdf (it, 61 KB, 22/03/16)
Appunti sul moto unidimensionale smorzato esponenzialmente  pdfpdf (it, 31 KB, 22/03/16)
AVVISO_Lezione del 23-05-2016_DALDOSSO  pdfpdf (it, 72 KB, 20/05/16)
Esercizi di cinematica del moto in 2 e 3 dimensioni  pdfpdf (it, 85 KB, 11/03/16)
Esercizi di cinematica del moto uni-dimensionale  pdfpdf (it, 20 KB, 04/03/16)
Esercizi di dinamica dei sistemi di particelle  pdfpdf (it, 329 KB, 26/05/16)
Esercizi e problemi aggiuntivi di dinamica dei sistemi di particelle  pdfpdf (it, 329 KB, 08/06/16)
Esercizi e problemi di dinamica dei sistemi di particelle  pdfpdf (it, 54 KB, 27/05/16)
Generalità sul corso di Fisica I con laboratorio  pdfpdf (it, 164 KB, 01/03/16)
Grandezze Fisiche e loro misura  pdfpdf (it, 452 KB, 01/03/16)
Grandezze scalari e vettoriali: operazioni con i vettori  pdfpdf (it, 196 KB, 04/03/16)
Modulo di Laboratorio_1 - Grandezze fisiche e loro misurazione  pdfpdf (it, 142 KB, 01/04/16)
Modulo di Laboratorio_2 - Sistemi di unità di misura delle grandezze fisiche  pdfpdf (it, 162 KB, 01/04/16)
Modulo di Laboratorio_3 - Strumenti di misura delle grandezze fisiche  pdfpdf (it, 313 KB, 01/04/16)
Modulo di Laboratorio_4 - Errori di misura delle grandezze fisiche e loro trattamento  pdfpdf (it, 523 KB, 01/04/16)
Ordini di grandezza nell'universo  pdfpdf (it, 159 KB, 01/03/16)
Problema + soluzione sul moto di un manubrio non vincolato sottoposto a un impulso  pdfpdf (it, 174 KB, 08/06/16)
Problemi di cinematica del moto uni-dimensionale circolare  pdfpdf (it, 19 KB, 08/03/16)
Problemi di cinematica del moto uni-dimensionale rettilineo  pdfpdf (it, 82 KB, 07/03/16)
Problemi di cinematica del punto materiale: moto circolare in 2-dimensioni  pdfpdf (it, 20 KB, 17/03/16)
Problemi di cinematica del punto materiale: moto in 2-dimensioni  pdfpdf (it, 23 KB, 14/03/16)
Problemi di dinamica del punto materiale  pdfpdf (it, 112 KB, 23/04/16)
Problemi di dinamica del punto materiale: lavoro ed energia  pdfpdf (it, 44 KB, 10/05/16)
Problemi di statica del punto materiale  pdfpdf (it, 231 KB, 16/04/16)
Problemi sul moto oscillatorio del punto materiale  pdfpdf (it, 67 KB, 28/04/16)
Problemi sul moto relativo di due corpi puntiformi  pdfpdf (it, 181 KB, 30/05/16)
Problemi sul moto relativo rotatorio uniforme  pdfpdf (it, 89 KB, 07/04/16)
Problemi sul moto relativo traslatorio rettilineo  pdfpdf (it, 21 KB, 31/03/16)
Problemi sul moto relativo traslatorio rettilineo, dati nelle prove scritte d'esame  pdfpdf (it, 96 KB, 07/04/16)
Programma d'esame del corso di Fisica I: Modulo di teoria  pdfpdf (it, 139 KB, 21/06/16)
Prova intermedia di accertamento  pdfpdf (it, 101 KB, 09/05/16)
Prova intermedia di accertamento_9 maggio 2016  pdfpdf (it, 101 KB, 09/05/16)
Prova Scritta del 07 febbraio 2017  pdfpdf (it, 198 KB, 13/02/17)
Prova Scritta del 14 luglio 2016  pdfpdf (it, 315 KB, 18/07/16)
Prova Scritta del 15 settembre 2016  pdfpdf (it, 255 KB, 16/09/16)
Prova Scritta del 23 giugno 2016  pdfpdf (it, 273 KB, 23/06/16)
Regole per la risoluzione di esercizi e problemi di Fisica Generale  pdfpdf (it, 76 KB, 01/03/16)
Richiami sugli operatori vettoriali  pdfpdf (it, 26 KB, 08/06/16)
Risultati della prova intermedia di accertamento del 9 maggio 2016  pdfpdf (it, 68 KB, 06/06/16)
Risultati della Prova Scritta del 07 febbraio 2017  pdfpdf (it, 66 KB, 13/02/17)
Risultati della Prova Scritta del 14 luglio 2016  pdfpdf (it, 75 KB, 18/07/16)
Risultati della Prova Scritta del 15 settembre 2016  pdfpdf (it, 72 KB, 26/09/16)
Risultati della Prova Scritta del 23 giugno 2016  pdfpdf (it, 79 KB, 27/06/16)
Scheda di Laboratorio: 1 - Uso del calibro e del micrometro  pdfpdf (it, 54 KB, 01/04/16)
Scheda di Laboratorio: 2 - Pendolo semplice  pdfpdf (it, 310 KB, 13/05/16)
Soluzioni di alcuni problemi di cinematica in 2 dimensione  pdfpdf (it, 71 KB, 22/03/16)

STUDENT MODULE EVALUATION - 2015/2016