| Modulo | Crediti | Settore disciplinare | Periodo | Docenti |
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| Teoria | 6 | FIS/01-FISICA SPERIMENTALE | 2° Q, 3° Q |
Gino Mariotto
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| Laboratorio | 1 | FIS/01-FISICA SPERIMENTALE | 2° Q, 3° Q |
Francesca Monti
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Modulo: Teoria
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Il corso è rivolto agli studenti 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 ed esercitazioni) frontali, tenute durante il secondo e terzo quadrimestre per un numero complessivo di 48 ore. Durante le lezioni frontali verrà fatto costante ricorso alla fenomenologia. Il corso è integrato da esercitazioni numeriche utili per il superamento dell'esame finale. Si presuppone che lo studente abbia familiarità con gli argomenti di matematica e di geometria svolti nei corsi della scuola media e di Analisi Matematica.
Modulo: Laboratorio
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Fornire conoscenze di base relativamente alla misura diretta e indiretta di grandezze fisiche e alla valutazione delle incertezze di misura dovute alla risoluzione dello strumento, alla presenza di errori casuali e di errori sistematici.
Modulo: Teoria
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1. Meccanica
1.1- Grandezze fisiche e loro misura: Metodo sperimentale. Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Unità di misura. Sistemi di unità di misura. Il sistema internazionale (S.I.). Scalari e vettori. Operazioni con i vettori. Leggi fisiche. Analisi dimensionale. Rappresentazione tabulare e grafica.
1.2- Cinematica del punto materiale: Relatività del moto. Sistemi di riferimento. Posizione, spostamento e velocità. Concetto di punto materiale. Legge oraria del moto. Traiettoria. Moto rettilineo e curvilineo.
Moto unidimensionale. Velocità e accelerazione media e istantanea. Derivazione ed integrazione delle grandezze cinematiche. Condizioni iniziali. Dall'accelerazione alla velocità. Dalla velocità alla legge oraria. Moto rettilineo uniforme e vario. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Accelerazione di gravità g.
Moto in due dimensioni. Vettori posizione, spostamento, velocità ed accelerazione. Loro componenti.
Moto curvilineo. Coordinata curvilinea. Moti ad accelerazione costante. Componenti tangenziale e normale dell'accelerazione. Moto circolare: velocità ed accelerazione angolare. Periodo e frequenza. Componenti radiale e trasversale della velocità e dell’accelerazione nel moto curvilineo piano.
1.3- Moti relativi: Sistemi di riferimento assoluti. Posizione e velocità relativa di due punti materiali. Moto relativo traslatorio uniforme ed uniformemente accelerato. Spostamento di trascinamento. Velocità e accelerazione di trascinamento. Trasformazioni di Galileo: invarianza dell'accelerazione. Principio di relatività classica. Moto relativo rotatorio uniforme (Cenni).
1.4- Dinamica del punto materiale: Principio di inerzia. Particella libera. Concetto di massa. Massa inerziale e gravitazionale. Interazione fra due particelle. Quantità di moto. Legge di Newton. Concetto di forza. Definizione operativa di forza. Forze esistenti in natura. 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. Pendolo semplice. Forze elastiche. Oscillatore orizzontale e verticale.
Moto curvilineo di una particella: componenti tangenziale e centripeta della risultante delle forze agenti.
Sistemi non inerziali. Forze apparenti. Momento della quantità di moto, momento di una forza e teorema del momento angolare. Forze centrali. Conservazione del momento angolare. Legge della gravitazione universale di Newton. Leggi di Keplero.
1.5- Energia e Lavoro: Integrali primi della forza: impulso e lavoro. Potenza. Unità di misura. 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. Principio di conservazione dell'energia meccanica. Lavoro di una forza dissipativa. Proprietà della funzione energia potenziale. Relazione fra energia potenziale e forza.
Campi di forze centrali. Natura conservativa di un campo di forze centrali. Moto sotto l’azione della forza gravitazionale. Potenziale gravitazionale e centrifugo. Potenziale efficace e orbita di equilibrio. Velocita' di fuga dalla terra.
1.6- Dinamica dei sistemi di particelle: Forze interne e forze esterne e loro momenti rispetto a un polo fisso O. Grandezze collettive: quantità di moto, momento angolare e energia cinetica totale. Principio di azione e reazione per un sistema di punti materiali. Equazioni cardinali della dinamica di un sistema di particelle. Centro di massa (CM): definizione e sue proprietà. Sistema di riferimento del laboratorio (sistema L) e del CM (sistema C). Moto del CM; moto rispetto al CM. Teoremi di König. Problema dei due corpi. Massa ridotta. Energia cinetica di 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.
Urti fra 2 particelle. Approssimazione di impulso. Forze interne ed esterne. Conservazione della quantità di moto totale e dell'energia cinetica del CM. Urti centrali elastici, anelastici e completamente anelastici.
1.7- Dinamica del corpo rigido: Definizione e proprietà meccaniche del corpo rigido. Centro di massa. Moto di traslazione e moto di rotazione. Scomposizione nel moto orbitale del CM e nel moto intrinseco. Moto di rotazione attorno ad un asse fisso passante per il CM. Momento angolare. Momento di inerzia. Teorema di Huygens-Steiner. Energia cinetica rotazionale. Equazioni del moto roto-traslazionale del corpo rigido. Moto rotazionale di un corpo attorno ad un asse fisso non passante per il centro di massa. Il pendolo fisico. Moto rotazionale attorno ad un asse senza nemmeno un punto fisso. Moto di un corpo rigido libero. Leggi di conservazione dell'energia e del momento angolare nel moto di un corpo rigido. Urti tra particelle libere e corpi rigidi vincolati. Conservazione del momento angolare.
2. Termodinamica
2.1- Sistemi e stati termodinamici: Sistema e ambiente termodinamico. Sistemi aperti, chiusi e isolati. Variabili termodinamiche. Pressione idrostatica. Stati di equilibrio termodinamico. Variabili di stato. Gas ideali o perfetti. Legge di stato di un gas perfetto.
Elementi di termometria. Concetto di temperatura. Equilibrio termico. Principio zero della termodinamica. Definizione operativa di temperatura. Scale termometriche: scale Celsius e Kelvin. Termometri.
Elementi di calorimetria. Temperature e calore. Capacità termica e quantità di calore scambiata. Calori specifici molari dei gas ideali. Cambiamenti di fase. Calori latenti.
Trasformazioni termodinamiche reversibili ed irreversibili. Cicli termodinamici. Rappresentazione nel piano di Clepeyron. Trasformazioni isoterme, isocore e isobare. Lavoro termodinamico: sua dipendenza dalla trasformazione termodinamica. Lavoro per trasformazioni reversibili ed irreversibili.
2.2- Primo principio della termodinamica: Esperimenti di Joule. Equivalenza fra lavoro e calore. Energia interna. Conservazione dell'energia di un sistema termodinamico. Energia interna di un gas perfetto. Interpretazione microscopica (cenni). Calori specifici molari dei gas ideali. Relazione di Mayer. Il primo principio della termodinamica per un gas perfetto. Applicazione del primo principio nelle trasformazioni reversibili dei gas ideale: isoterma, isocora, isobara. Trasformazioni adiabatiche.
Trasformazioni cicliche di un gas. Cicli termici e cicli frigoriferi. Rendimento di un ciclo termico. Ciclo di Carnot. Altri cicli notevoli (Stirling, Otto e Diesel). Efficienza di un ciclo frigorifero.
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. Conseguenze del teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Diseguaglianza di Clausius.
Entropia. Definizione e proprietà. Stato di riferimento. Calcolo della variazione di entropia. Trasformazioni adiabatiche. Il principio di aumento dell'entropia. Diagrammi T-S. Scambi di calore con sorgenti. Entropia dell'universo termodinamico.
Modulo: Laboratorio
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Misurazione di una grandezza fisica: misure dirette e indirette; metodo sperimentale; sistemi di unità di misura; strumenti di misura, risoluzione di lettura e incertezza della misura.
Errori casuali: istogrammi e loro parametri statistici, distribuzione limite, distribuzione gaussiana; stima dei parametri di una distribuzioen gaussiana, determinazione dell'incertezza dovuta agli errori casuali; confronto tra risoluzione di misura ed errori casuali.
Errori sistematici: valutazione dell'incertezza nel caso di misure inconsistenti, incertezza complessiva.
Incertezza assoluta e relativa. Propagazione degli errori nelle misure indirette.
Esecuzione di una esperienza di laboratorio: misura del periodo di oscillazione di un pendolo semplice e determinazione dell'accelerazione di gravità.
Modulo: Teoria
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L’esame consiste in una parte scritta e in una parte orale. L’ammissione alla prova orale è subordinata al superamento della prova scritta, che consiste nella risoluzione di alcuni prblemi sul programma svolto in aula. La prova scritta ha validità limitata a tre appelli d’esame,compreso quello in cui lo scritto è stato superato.
Modulo: Laboratorio
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Stesura di una relazione sull'esperienza di laboratorio svolta.
La date degli appelli sono decise in armonia con il calendario delle sessioni di esame deliberato dalla Facoltà.
Libro di testo consigliato:
Qualunque testo di Fisica Generale l'Università, per esempio:
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
Elementi di Fisica: Meccanica – Termodinamica
EdiSES, Napoli Ed. 2001, (ultima ristampa).
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