Fisica I con laboratorio (2016/2017)



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 7 II sem. Gino Mariotto
Esercitazioni 2 II sem. Gino Mariotto
Laboratorio 2 II sem. Nicola Daldosso
Laboratorio - Esercitazioni [Esercitazioni II° turno] 1 II sem. Nicola Daldosso
Laboratorio - Esercitazioni [Esercitazioni I° turno] 1 II sem. Nicola Daldosso

Orario lezioni

II sem.
Attività Giorno Ora Tipo Luogo Note
Teoria lunedì 11.30 - 13.30 lezione Aula E  
Teoria martedì 8.30 - 10.30 lezione Aula E  
Teoria giovedì 11.30 - 13.30 lezione Aula E  
Teoria venerdì 10.30 - 13.30 lezione Aula E  

Obiettivi formativi

Corso di insegnamento di Fisica I con Laboratorio
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Il corso è rivolto agli studenti del I anno del corso di Laurea triennale in 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 frontali ed esercitazioni, sia in aula che in laboratorio) tenute durante il secondo semestre per un numero complessivo 12 CFU, articolate su due moduli svolti in parallelo: A) modulo di teoria (9 CFU) e B) modulo 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 ricorso in modo sistematico alla fenomenologia. Il corso è integrato da esercitazioni che avranno per oggetto la soluzione di esercizi e problemi in modo da mettere lo studente in condizioni di affrontare e superare la prova scritta dell'esame finale.

B) Modulo di laboratorio:
II 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.
Il corso ha lo scopo di avviare lo studente alla conoscenza e all’utilizzo della strumentazione di laboratorio tramite l'allestimento e l’esecuzione di alcuni semplici esperimenti che prevedono la misura di varie grandezze fisiche e la successiva rappresentazione (istogrammi e grafici) ed elaborazione dei dati raccolti.
In particolare, si vuole dimostrare la validità di semplici leggi fisiche (ad esempio, legge allungamento elastico, isocronismo delle piccole oscillazione di un pendolo semplice), avvalendosi della corretta procedura sperimentale.
Il corso è diviso in una parte di lezioni alla lavagna sul metodo sperimentale e sulla teoria degli errori di misura ed una seconda parte di esperienze svolte in laboratorio dagli studenti.

Programma

Modulo: Teoria
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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.

Modalità d'esame

Modulo: Teoria
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L’esame consiste in una prova scritta e in una prova orale, alla quale lo studente accede solo dopo aver superato la prova scritta. La prova scritta ha validità limitata a due sessioni d’esame, compreso quella in cui lo scritto è stato superato. La prova scritta si intende superata solo se il voto riportato non è inferiore a 18/30.

Prova scritta: risoluzione di alcuni problemi tipici di meccanica (del punto materiale, dei sistemi di punti materiali e/o del corpo rigido), e di termodinamica (trasformazioni reversibili e irreversibili di gas ideali).

Prova orale: consiste in un colloquio con domande sul programma svolto in aula. La prova orale si intende superata solo se il voto riportato non è inferiore a 18/30.

Per il modulo di teoria è prevista una valutazione complessiva (in /30) ottenuta facendo la media aritmetica dei voti riportati nelle due prove superate

Modulo: Laboratorio
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Relazione di gruppo di laboratorio (senza voto) sulle prime esperienze.
Relazione di gruppo finale sull'esperimento del Pendolo semplice (con voto in /30).

Corso di insegnamento di Fisica I con laboratorio
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Il voto finale complessivo sarà la media pesata, sul numero dei CFU, dei voti riportati nelle prove di valutazione previste per ognuno dei due moduli (Teoria e Laboratorio).

Testi di riferimento
Attività Autore Titolo Casa editrice Anno ISBN Note
Teoria P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci Elementi di Fisica: Meccanica e Termodinamica EdiSES, Napoli 2001
Esercitazioni P. Mazzoldil A. Saggion. C. Voci Problemi di Fisica Generale: Meccanica e Termodinamica Libreria Cortina 1994
Laboratorio John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999
Laboratorio - Esercitazioni John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999
Laboratorio - Esercitazioni John R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori (lo studio delle incertezze nelle misure fisiche) (Edizione 2) Zanichelli 1999

Opinione studenti frequentanti - 2015/2016


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

I dati relativi all'AA 2016/2017 non sono ancora disponibili