OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso di Fisica I è rivolto agli studenti del corso di
laurea triennale in Tecnologie dell'Informazione. Scopo del corso
è la presentazione dei fondamenti del metodo sperimentale,
della meccanica classica del punto materiale e dei sistemi di punti
materiali, della termodinamica e dell'elettromagnetismo. Il corso
è integrato da esercitazioni numeriche e da elementi di
calcolo vettoriale. Si presuppone che lo studente abbia
familiarità con gli argomenti di matematica e di geometria
svolti nei corsi della scuola media superiore e si consiglia la
frequenza simultanea del corso di Analisi Matematica. Per gli
argomenti trattati il corso di Fisica può essere sicuramente
dichiarato equipollente al corso di Fisica del Corso di laurea
triennale in Informatica.
ATTIVITÀ FORMATIVE
Gli obiettivi formativi sono realizzati mediante attività
didattiche (lezioni ed esercitazioni) frontali, mutuate dal corso
di Fisica per la Laurea triennale in Informatica e tenute durante
il secondo e terzo quadrimestre per un numero complessivo di 80
ore. Allo scopo di facilitare lo studente nella comprensione e
nell'apprendimento delle leggi e dei principi della meccanica,
della termodinamica e dell'elettromagnetismo durante le lezioni
frontali è fatto costante ricorso alla fenomenologia, mentre
le esercitazioni avranno per oggetto la soluzione di esercizi e
problemi che simulano situazioni ed eventi naturali. Le
esercitazioni sono organizzate e svolte in maniera tale da mettere
lo studente in condizioni di affrontare e superare la prova scritta
dell'esame finale.
PROGRAMMA DEL CORSO
- Grandezze fisiche e loro misura: Note introduttive. Metodo
sperimentale. Definizione operativa delle grandezze fisiche.
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: somma,
prodotto scalare e prodotto vettoriale. Ordini di grandezza e
generalità sulle leggi fisiche. Analisi dimensionale.
Rappresentazione tabulare e grafica.
- Cinematica del punto materiale: Relatività del moto.
Sistemi di riferimento. Validità sperimentale della
geometria euclidea. Sistemi di riferimento. 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 rettilineo. 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. Nota a(x) ricavare v. Accelerazione di gravità
g. Moto in due e tre 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.
- 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. Moto
relativo rotatorio uniforme: accelerazione centrifuga e di
Coriolis. Moto dei corpi sulla superficie della terra.
- Dinamica del punto materiale: Principio di inerzia. Particella
libera. Concetto di massa. Massa inerziale e gravitazionale.
Interazione fra due particelle. Quantità di moto. Principio
di conservazione della quantità di moto. Leggi di Newton.
Concetto di forza. Definizione operativa di forza. Equazione del
moto di una particella. Risultante delle forze applicate.
Equilibrio statico e dinamico. Vincoli e reazioni vincolari.
Classificazione delle forze esistenti in natura. Forza peso e forza
elastica. Forze d'attrito statico e dinamico. Moto di una
particella in un fluido. Moto curvilineo di una particella:
componenti tangenziale e centripeta della risultante delle forze
agenti. Sistemi non inerziali. Forze apparenti. Sistemi in
rotazione uniforme: forza centrifuga e forza di Coriolis. 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.
- Energia e Lavoro: Integrali primi della forza: impulso e
lavoro. Teorema dell'impulso. Lavoro elementare e lavoro finito:
proprietà degli integrali di linea. Potenza. Unità di
misura del lavoro e della potenza. Energia cinetica. Teorema
dell'energia cinetica. Invarianza del lavoro dal cammino di
integrazione fra due punti. 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. Concetto di
derivata direzionale. Gradiente di una funzione. 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. Orbita di
equilibrio.
- Dinamica dei sistemi di punti materali: Generalizzazione dei
risultati relativi alla dinamica di una particella a un sistema
discreto di punti materiali: quantità di moto, momento
angolare ed energia cinetica. Forze interne, forze esterne e loro
momenti. Terzo principio della dinamica. Equazioni cardinali della
dinamica di un sistema di particelle. Centro di massa (CM):
definizione e proprietà. Moto del CM, e moto rispetto al CM
. Teoremi di König. Problema dei due corpi. Massa ridotta.
Leggi di conservazione delle grandezze dinamiche di un sistema di
punti materiali. Urti fra 2 punti materiali. Approssimazione di
impulso.Urti elastici e anelastici. Urti centrali.
- Dinamica del corpo rigido: Definizione e proprietà
meccaniche. Gradi di libertà di moto. Moto di rotazione.
Momento angolare. Momento di inerzia. Teorema di Huygens-Steiner.
Energia cinetica. Equazioni del moto del corpo rigido. Moti di un
corpo rigido libero e vincolato. Moto di puro rotolamento (cenni).
Leggi di conservazione nel moto di un corpo rigido. Urti tra
particelle libere e corpi rigidi vincolati. Conservazione del
momento angolare.
- Moti oscillatori: Cinematica del moto armonico semplice (MAS).
Dinamica del MAS. Forza ed energia nel MAS. Pendolo semplice e
pendolo composto. Oscillazioni non armoniche. Oscillazioni
smorzate. Oscillazioni forzate. Risonanza di ampiezza e risonanza
dell'energia.
- Fluidi: Grandezze cinematiche e dinamiche nei fluidi. Pressione
idrostatica. Compressibilità e modulo di volume. Idrostatica
nel campo gravitazionale. Leggi di Archimede e di Stevino.
Idrodinamica di un fluido perfetto, teorema di Bernoulli. Fluidi
reali, viscosità (cenni).
- Sistemi e stati termodinamici: Sistema e ambiente. Universo
termodinamico. Sistemi aperti, chiusi e isolati. Variabili
termodinamiche: concentrazione, pressione, volume e temperatura.
Stati di equilibrio termodinamico. Variabili di stato. Gas ideali o
perfetti: definizione e proprietà. Legge di stato di un gas
perfetto. Equilibrio termico. Principio zero della termodinamica.
Pareti diatermiche e adiabatiche. Contatto termico. Definizione
operativa di temperatura. Punti fissi. Scale termometriche: scale
Celsius e Kelvin. Termometri. Elementi di calorimetria. Temperature
e calore. Capacità termica e quantità di calore
scambiata. Calori specifici molari e calore specifico di un solido.
Cambiamenti di fase. Calori latenti. Calorimetri. Trasformazioni
reversibili ed irreversibili. Il piano di Clepeyron. Trasformazioni
isoterme, isocore e isobare. Cicli termodinamici. Lavoro
termodinamico: dipendenza dalla trasformazione termodinamica.
Lavoro per trasformazioni reversibili ed irreversibili.
- 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. Calore specifico e
energia interna dei corpi solidi. Il primo principio della
termodinamica per un gas perfetto. Applicazione del primo principio
nelle trasformazioni reversibili dei gas ideale: isoterma, isocora,
isobara. Trasformazioni adiabatiche. Trasformazione adiabatica
reversibile di un gas perfetto. Trasformazioni cicliche di un gas.
Cicli termici e cicli frigoriferi. Rendimento di un ciclo termico.
Ciclo di Carnot. Efficienza o coefficiente operativo di prestazione
di un ciclo frigorifero.
- 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.
- Campo elettrico: Carica elettrica. Isolanti e conduttori. Legge
di Coulomb. Campo elettrici e linee di forza. Campo elettrico
generato da una distribuzione di cariche puntiformi. Teorema di
Gauss.
- Potenziale elettrico: Energia potenziale elettrostatica.
Potenziale elettrostatico. Superfici equipotenziali. Differenza di
potenziale. Relazione fra campo e potenziale elettrico.
- Capacità elettrica: Condensatori e capacità.
Condensatori in serie e in parallelo. Energia immagazzinata in un
campo elettrico. Condensatore in presenza di un dielettrico.
- Corrente elettrica: Cariche in movimento. Conduzione elettrica
nei metalli. Corrente elettrica. Densità di corrente.
Resistenza e resistività. Legge di Ohm. Intensità di
corrente. Resistenze in serie e in parallelo. Energia e potenza nei
circuiti elettrici. Legge di Joule. Semiconduttori e
superconduttori (cenni).
- Circuiti elettrici in corrente continua. Forza elettromotrice e
resistenza interna di una batteria. Calcolo della corrente. Leggi
di Kirchhoff. Teorema di Thevenin. Carica e scarica di un
condensatore. Circuiti RC.
- Correnti variabili nel tempo: Circuiti oscillanti. Induzione
elettromagnetica. Legge di Faraday-Newmann-Lenz.