Laurea in Matematica Applicata

Fisica I con laboratorio (2011/2012)

Codice insegnamento 4S02750   Crediti 12   Coordinatore Gino Mariotto Settore disciplinare FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE Lingua di erogazione Italiano

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L'insegnamento è organizzato come segue:

Orario lezioni

Obiettivi formativi

Il corso è rivolto agli studenti del corso di Laurea triennale 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) tenute durante il secondo semestre per un numero complessivo 12 CFU, articolate su due moduli svolti in parallelo: A) uno di teoria (9 CFU) e B)uno 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 frequentemente ricorso alla fenomenologia. Il corso è integrato da esercitazioni che avranno per oggetto la soluzione di esercizi e problemi tali da mettere lo studente in condizioni di affrontare e superare la prova scritta dell'esame finale.

B) Modulo di laboratorio:
Il 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. Esso prevede l’esecuzione di alcune sperimentazioni in laboratorio aventi per oggetto la misura di alcune grandezze fisiche, quali il periodo di oscillazione di un pendolo e dell’accelerazione di gravità g.

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 (rettilineo e circolare). 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. Interazione fra due particelle. Concetto 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 relativi alla dinamica di una particella a un sistema discreto di particelle. Sistemi di equazioni di Newton. 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 materiale. 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. Energia cinetica di un sistema di particelle. Lavoro delle forze agenti su 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. Problema dei due corpi: massa ridotta.
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. Sistema e ambiente. Universo termodinamico. Sistemi aperti, chiusi e isolati. 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: Gas ideali o perfetti: definizione e proprietà. Leggi dei gas. 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 termodinamiche reversibili ed irreversibili di un gas perfetto. Trasformazioni isoterme, isocore e isobare. Trasformazioni adiabatiche. Applicazione del primo principio nelle trasformazioni reversibili dei gas ideale: isoterma, isocora, isobara. Trasformazione adiabatica reversibile di un gas perfetto. Rappresentazione nel piano di Clepeyron. Trasformazioni cicliche di un gas. 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. Equivalenza fra l'enunciato di Kelvin-Planck e di Clausius. Teorema di Carnot. Rendimento massimo. Diseguaglianza di Clausius.
Entropia. Definizione e proprietà. Calcolo della variazione di entropia. Entropia di un gas ideale. Trasformazioni adiabatiche. Scambi di calore con sorgenti. Entropia dell'universo termodinamico.

Modulo: Laboratorio.
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Modalita d'esame

A) Modulo di teoria.
L’esame consiste nel superamento di una prova scritta e di una prova orale, alla quale s i accede solo dopo aver superato la prova scritta. La prova scritta ha validità limitata a tre appelli d’esame, compreso quello in cui lo scritto è stato superato. La prova scritta si intende superata quando il voto riportato non è inferiore a 18/30.

Prova scritta: risoluzione di alcuni problemi tipici di meccanica del punto materiale, dei sistemi e del corpo rigido, e di termodinamica.

Prova orale: consiste in un colloquio con domande sul programma svolto in aula.

Per il modulo di teoria è prevista una valutazione complessiva ottenuta facendo la media aritmetica delle due prove sostenute.

B) Modulo di laboratorio.
Per l'esame relativo al modulo di laboratorio si procederà alla valutazione di uno o più rapporti redatte dallo studente relativi ai risultati degli esperimenti svolti in laboratorio.

C) Il voto finale sarà la media pesata sui CFU dei voti riportati nelle prove di valutazione previste nell’ambito dei due moduli di teoria e di laboratorio.


Libri di testo consigliati.

Qualunque testo di Fisica Generale l'Università, per esempio:

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
Fisica - Vol. 1: Meccanica - Termodinamica
EdiSES s.r.l., Napoli (Seconda edizione, ultima ristampa)
ISBN 88 7959 137 1

Materiale didattico
Attività	Titolo	Formato (Lingua, Dimensione, Data pubblicazione)
Teoria	Appunti di Dinamica dei sistemi di punti materiali	pdf (it, 77,863 KB, 26/06/12)
Teoria	Appunti di Dinamica del corpo rigido	pdf (it, 57,191 KB, 26/06/12)
Teoria	Appunti sugli Urti fra punti materiali	pdf (it, 41,154 KB, 26/06/12)
Teoria	Appunti sui Vettori	pdf (it, 49,054 KB, 14/03/12)
Teoria	Appunti sul moto circolare in notazione vettoriale	pdf (it, 31,051 KB, 19/03/12)
Teoria	Appunti sul moto curvilineo in 3 dimensioni	pdf (it, 45,69 KB, 14/03/12)
Teoria	Appunti sul moto periodico	pdf (it, 62,711 KB, 22/03/12)
Teoria	Appunti sul moto piano in coordinate polari	pdf (it, 39,824 KB, 19/03/12)
Teoria	Appunti sul moto relativo	pdf (it, 76,845 KB, 23/03/12)
Teoria	Appunti sul moto smorzato esponenzialmente	pdf (it, 33,126 KB, 22/03/12)
Teoria	AVVISO_Appello orale del 28-09-2012	pdf (it, 6,202 KB, 27/09/12)
Teoria	AVVISO_Correzione prova scritta del 06-02-2013	pdf (it, 4,383 KB, 11/02/13)
Teoria	AVVISO_Correzione prova scritta del 27-06-2012	pdf (it, 6,284 KB, 28/06/12)
Teoria	Esercizi e problemi di dinamica dei sistemi di punti materiali	pdf (it, 56,188 KB, 23/05/12)
Teoria	Esercizi e problemi di dinamica del punto materiale	pdf (it, 48,535 KB, 05/04/12)
Teoria	Esercizi e problemi di dinamica del punto materiale in SRNI	pdf (it, 49,249 KB, 18/04/12)
Teoria	Esercizi e problemi di dinamica del punto materiale: lavoro e energia	pdf (it, 46,309 KB, 27/04/12)
Teoria	Esercizi e problemi sugli urti fra particelle	pdf (it, 48,168 KB, 08/06/12)
Teoria	Esercizi e problemi sulla dinamica del punto corpo rigido	pdf (it, 27,994 KB, 25/06/12)
Teoria	Esercizi e problemi sul moto circolare	pdf (it, 21,171 KB, 19/03/12)
Teoria	Esercizi e problemi sul moto curvilineo in 2 dimensioni	pdf (it, 24,399 KB, 14/03/12)
Teoria	Esercizi e problemi sul moto relativo rotatorio	pdf (it, 22,543 KB, 28/03/12)
Teoria	Esercizi e problemi sul moto relativo traslatorio	pdf (it, 22,122 KB, 23/03/12)
Teoria	Esercizi sul moto unidimensionale	pdf (it, 21,385 KB, 09/03/12)
Teoria	Fisica I per Matematica Applicata: Note introduttive	pdf (it, 23,932 KB, 08/03/12)
Teoria	Insegnamenti di Fisica I (Teoria) - Programma svolto durante l'a.a. 2011-12.	pdf (it, 13,614 KB, 26/06/12)
Teoria	Laboratorio: Capitolo 1	pdf (it, 142,498 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Capitolo 2	pdf (it, 162,21 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Capitolo 3	pdf (it, 313,85 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Capitolo 4	pdf (it, 523,848 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Orario 2012	pdf (it, 37,842 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Scheda I esperienza (calibro e micrometro)	pdf (it, 56,353 KB, 11/05/12)
Teoria	Laboratorio: Scheda II esperienza (pendolo semplice)	pdf (it, 313,035 KB, 23/05/12)
Teoria	Misura delle Grandezza Fisiche: Appunti	pdf (it, 117,966 KB, 08/03/12)
Teoria	Ordini di grandezza in Fisica	pdf (it, 160,069 KB, 08/03/12)
Teoria	Problemi sul moto unidimensionale circolare	pdf (it, 19,343 KB, 09/03/12)
Teoria	Problemi sul moto unidimensionale rettilineo	pdf (it, 20,385 KB, 09/03/12)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 06 febbraio 2013	pdf (it, 80,907 KB, 07/02/13)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 16 luglio 2012	pdf (it, 31,668 KB, 20/07/12)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 20 febbraio 2013	pdf (it, 95,562 KB, 28/02/13)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 25 settembre 2012	pdf (it, 30,426 KB, 27/09/12)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 27giugno 2012	pdf (it, 29,019 KB, 28/06/12)
Teoria	Prova scritta di Fisica I del 4 settembre 2012	pdf (it, 29,285 KB, 06/09/12)
Teoria	Regole per la risoluzioni di esercizi e problemi di Fisica	pdf (it, 12,314 KB, 08/03/12)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 04 settembre 2012	pdf (it, 8,394 KB, 06/09/12)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 06 febbraio 2013	pdf (it, 7,708 KB, 12/02/13)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 16 luglio 2012	pdf (it, 13,885 KB, 24/07/12)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 20 febbraio 2013	pdf (it, 44,017 KB, 28/02/13)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 25 settembre 2012	pdf (it, 10,561 KB, 28/09/12)
Teoria	Risultati della Prova scritta di Fisica I del 27giugno 2012	pdf (it, 9,644 KB, 03/07/12)

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

I dati relativi all'AA 2011/2012 non sono ancora disponibili