Programma
1 Introduzione
La misura in Fisica. Il Sistema Internazionale delle unità di misura. Analisi dimensionale ed i cambiamenti di unità di misura. Lunghezza. Tempo. Massa. Calcolo di ordini di grandezza e cifre significative.
2 Meccanica
2.1 Cinematica
- Definizione di punto materiale. Moto unidimensionale. Sistemi di riferimento. Spostamento. Velocità media ed istantanea. Legge oraria. Moto rettilineo uniforme. La velocità come derivata. Accelerazione media ed istantanea. Moto uniformemente accelerato. Integrale del moto. Calcolo dalle aree, in alcuni casi semplici. Grandezze scalari e vettoriali. Versori. Scomposizione dei vettori. Somma e prodotti tra vettori. Spostamento, velocità ed accelerazione in due e tre dimensioni. Composizione dei moti in due dimensioni. Traiettoria in due dimensioni. Moto del proiettile. Gittata. Moto circolare uniforme. Moto relativo. Cambiamento di sistemi di riferimento.
2.2 Dinamica del punto materiale
- Definizione di forza. Prima legge della dinamica. Sistemi di riferimento inerziali. Definizione di massa inerziale. Seconda legge della dinamica. Alcune forze particolari: forza peso, reazione vinco- lare, tensione, forza elastica, forza di Coulomb. Forze di attrito statico e dinamico. Forza centripeta. Forze apparenti. Esempi di forza centrifuga. Terza legge della dinamica. Legge della gravitazione di Newton. Massa gravitazionale. Concetto di campo. Linee di forza. Campo e Potenziale gravitazionale. Il teorema di Gauss e la sua applicazione al campo gravitazionale della Terra (cenni. Facoltativo). Analogie e differenze fra il campo gravitazionale e il campo di una carica puntiforme.
2.3 Lavoro ed Energia
- Definizione di lavoro. Teorema dell’energia cinetica. Potenza. Forze conservative. Energia potenziale. Energia meccanica e sua conservazione. Energia potenziale gravitazionale, elastica, elettrostatica.
2.4 Moti oscillatori e periodici
- Equazione del moto di una molla. Oscillatore armonico. Definizione di periodo, frequenza e pulsazione. Velocità lineare e velocità angolare. Moto circolare uniforme e moto armonico. Il pendolo semplice.
2.5 Sistemi di punti materiali
Impulso di una forza e quantità di moto. Il centro di massa. Leggi della dinamica per un sistema di punti. Forze esterne e forze interne. Conservazione della quantità di moto totale. Generalità sugli urti. Urti centrali elastici e anelastici.
3 Fluidi e Termodinamica
3.1 Fluidi e loro dinamica
Stati della materia: solido, liquido e gas. Grandezze estensive ed intensive. Definizione di pressione e densità. Forze in un fluido a riposo. Legge di Stevino. Principio dei vasi comunicanti. Misura della pressione. Esperienza di Torricelli. Principio di Pascal. Principio di Archimede. Dinamica dei fluidi. Fluido ideale. Linee di flusso. Equazione di continuità. Equazione di Bernoulli. Principio di Venturi. Fluidi reali (argomento facoltativo): viscosità, formula di Poiseuille, resistenza condotto, profilo della velocità.
3.2 Calorimetria e termodinamica
Il calore e la temperatura. Principio zero della termodinamica. Misura della temperatura e le scale termometriche. Capacità termica e calore specifico. Calore latente. Trasmissione del calore (cenni). Temperatura di equilibrio, in funzione delle capacità termiche. Sistema termodinamico. Grandezze di stato. Trasformazioni termodinamiche. Lavoro. Esperimento di Joule: equivalente meccanico della caloria. Primo principio della termodinamica. Leggi dei gas. Il numero di Avogadro. Il gas perfetto. Piano di Clapeyron. Trasformazioni isobare, isocore, isoterme, adiabatiche. di un gas perfetto. Espansione libera di un gas perfetto. Calori specifici ed energia interna di un gas perfetto. Macchine termiche, frigoriferi e pompe di calore. Secondo principio della termodinamica. Ciclo di Carnot. Entropia. Disuguaglianza di Clausius. Variazione di entropia per processi irreversibili. Variazione di entropia in generale.
4 Elettromagnetismo
4.1 Elettrostatica
Cenni alle forze fondamentali della natura. Carica elettrica. Legge di Coulomb. Atomo di idrogeno. Campo elettrico. Principio di sovrapposizione. Linee di forza del campo. Campo generato da una carica puntiforme. Dipolo elettrico (dimostrazione equazione facoltativa) e sue linee di forza. Flusso di un vettore. Teorema di Gauss. Densità di carica di volume, superficie, lineare. Applicazioni del teorema di Gauss: filo carico infinito, piano infinito carico, sfera uniformemente carica. Confronto fra il campo gravitazionale e il campo elettrostatico. Conduttori. Teorema di Coulomb. Induzione elettrostatica. Lavoro svolto dal campo elettrico. Potenziale elettrico. Superfici equipotenziali. Potenziale di una carica puntiforme. Potenziale di molte cariche puntiformi. Capacità elettrica di un conduttore. Cenni ai condensatori (capacità del condensatore piano, condensatore piano e sue proprietà). Energia elettrostatica immagazzinata in un condensatore. Condensatori in serie e parallelo. Cenni sui dielettrici e costante dielettrica relativa.
4.2 Corrente elettrica e circuiti
- La conduzione nei metalli. Corrente elettrica. Densità di corrente. Resistenza e resistività. Legge di Ohm. Energia e potenza nei circuiti elettrici. Effetto Joule. Forza elettromotrice. Generatore ideale e reale di tensione. Resistenze in serie ed in parallelo. Semplici circuiti con resistenze serie e parallelo.
4.3 Campo magnetico
- Il campo magnetico. Forza magnetica su un filo percorso da corrente. Forza di Lorentz. Moto di una particella carica in un campo magnetico. Corrente elettrica e campo magnetico. Legge di Biot- Savart. Campo B generato da un filo infinito. Forze tra conduttori percorsi da corrente. Definizione dell’Ampere.
4.4 Equazioni di Maxwell
- Le equazioni di Maxwell (cenni). Velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche
4.5 Ottica geometrica.
- Approssimazione dell’ottica geometrica. Indice di rifrazione. Riflessione. Rifrazione: legge di Snell. Riflessione totale. Il diottro. Lenti sottili. Distanza focale.
5 Probabilità e analisi statistica.
Statistica descrittiva: definizioni di base, distribuzioni sperimentali dei dati e loro rappresentazione. Probabilità: definizioni. Variabili aleatorie e principali distribuzioni (uniforme, binomiale, normale, gaussiana). Valore atteso, varianza. Probabilità condizionata. Teorema di Bayes. Inferenza statistica e test di ipotesi (cenni).
Prerequisiti
Conoscenze di matematica di base (geometria, algebra, trigonometria, calcolo vettoriale, limiti, derivate e integrali di semplici funzioni analitiche), quali quelle acquisite in un qualsiasi tipo di liceo o istituto.
Testi di riferimento
Lo studente può utilizzare liberamente i libri di testo che ritiene più idonei a preparare l'esame. Può fare comunque riferimento ai testi seguenti, sia per la preparazione della prova orale che di quella scritta:
- Serway "Principi di Fisica", Ed. Edises
- Halliday, Resnik, Walker “Fondamenti di Fisica", Casa Editrice Ambrosiana.
- Jim Fowler, Phil Jarvis, Mel Chevannes "Statistica per le professioni sanitarie”, Ed. EdiSES
- Biostatistica, concetti di base per l’analisi statistica delle scienze dell’area Medico-Sanitaria”, Wayne W. Daniel, Ed. EdiSES
Modalità insegnamento
Il corso si compone di 72 ore di didattica frontale, delle quali circa un terzo sono dedicate allo svolgimento di esercizi in classe. Inoltre verranno assegnati degli esercizi da svolgere in proprio per valutare la comprensione raggiunta relativamente agli argomenti spiegati durante le lezioni.
Frequenza
Frequenza obbligatoria. Pertanto verranno prese le presenze, con modalità descritte a lezione. Si ritiene che la frequenza sia molto utile e importante in quanto le lezioni sono una guida mirata allo studio della materia e aiutano gli studenti a sviluppare le loro capacità cognitive.
Modalità di esame
L'esame finale si compone di due prove: un esame scritto e un esame orale. Scritto ed orale vengono valutati entrambi e contribuiscono con ugual peso al voto finale.
L'esame scritto consiste generalmente in 3 esercizi aperti su argomenti fondamentali del programma (Meccanica-Fluidi/Termodinamica-Elettromagnetismo/Statistica) da risolvere in un tempo massimo di 2 ore. Si accede all'orale con un voto uguale o superiore a 15 trentesimi.
Le date degli appelli si trovano nella pagina e-learning del corso.
La validità dello scritto è limitata alla sessione di esame in cui viene svolto con eccezioni degli appelli di Giugno e Luglio.
L'esame orale consiste in un colloquio sui temi illustrati nel corso. Per superare l'esame lo studente deve essere in grado di presentare un argomento o ripetere un calcolo discusso durante il corso e di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a quelle gia' discusse.
Nella valutazione si terra' conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- capacità di sviluppo analitico della teoria;
- attitudine nel problem solving (metodo e risultati)
Bibliografia
- Davidson - Metodi Matematici per un corso introduttivo di Fisica - EdiSES, 1998.
- Introduzione all'analisi degli errori: lo studio delle incertezze nelle misure fisiche, John R. Taylor (JT), Ed. Zanichelli.
Modalità di erogazione
Il corso si compone di 60 ore di didattica frontale, delle quali circa un terzo sono dedicate allo svolgimento di esercizi in classe. Inoltre verranno assegnati degli esercizi da svolgere in proprio per valutare la comprensione raggiunta relativamente agli argomenti spiegati durante le lezioni.