FISICA I - canale 3

FIS/01 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

ROBERTO BARBERA
Email: roberto.barbera@ct.infn.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia - Via S. Sofia, 64 - Edificio 6 - Stanza T19 (piano terra)
Telefono: +390953785504
Orario ricevimento: Mercoledì e Venerdì dalle 14:00 alle 15:00 Eventuali avvisi di indisponibilità del docente saranno diramati esclusivamente attraverso Studium (http://studium.unict.it).


Obiettivi formativi

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze di base sui fondamenti della Meccanica Classica e della Termodinamica, nonchè la capacità di sapere applicare il Metodo Scientifico a problemi reali e concreti.


Prerequisiti richiesti

Seppur nessuna propedeuticià è imposta ufficialmente, è estremamente utile che lo studente abbia conoscenza degli argomenti di matematica elementare (algebra, geometria, trigonometria) nonché di quelli tipici del corso di Analisi Matermatica I, con particolare riferimento al calcolo differenziale e integrale.



Frequenza lezioni

Seppur non obbligatoria, la frequenza delle lezioni è fortemente consigliata.



Contenuti del corso

Grandezze fisiche e unità di misura. Grandezza fisica e unità di misura. Il Sistema Internazionale (SI). Grandezze meccaniche e termodinamiche. Questioni dimensionali. Errori di misura e approssimazione. Notazione scientifica.

Scalari e vettori. Grandezze scalari e vettoriali. Invarianza e simmetria. Algebra dei vettori. Derivate e integrali di vettori.

Cinematica. Velocità, accelerazione e legge oraria del moto. Moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato. Moto verticale. Moto armonico semplice. Moti nel piano: moto parabolico. Moto circolare. Moti nello spazio.

Dinamica del punto materiale. Principio d’inerzia e concetto di forza. Seconda e terza legge di Newton. Esempi di forze: forza peso, forza di attrito, forza elastica, forza centripeta. Risultante delle forze: reazioni vincolari ed equilibrio. Impulso e quantità di moto. Sistemi di riferimento. Velocità e accelerazione relative. Relatività di Galilei.

Lavoro ed energia. Lavoro, potenza ed energia cinetica. Esempi di lavori compiuti da forze. Forze conservative ed energia potenziale. Forze non conservative. Principio di conservazione dell’energia meccanica. Relazione tra forza ed energia potenziale. Momento angolare. Momento torcente.

Dinamica dei sistemi di punti materiali. Sistemi di punti. Forze interne e forse esterne. Centro di massa e sue proprietà. Principio di conservazione della quantità di moto. Principio di conservazione del momento angolare. Teoremi di König. Teorema dell’energia cinetica.

Dinamica del corpo rigido. Definizione di corpo rigido e sue proprietà. Moto di un corpo rigido. Rotazioni rigide attorno ad un asse in un sistema di riferimento inerziale. Energia e lavoro rotazionali. Momento d’inerzia. Teorema di Huygens-Steiner. Moto di puro rotolamento. Leggi di conservazione nel moto di un corpo rigido.

Oscillazioni e onde. Oscillatore armonico semplice: equazione del moto e sua soluzione. Moto di una massa collegata ad una molla. Energia dell’oscillatore armonico semplice. Somma di moti armonici in 1 e 2 dimensioni. Oscillatore armonico smorzato e forzato. Risonanza.

Gravitazione. Forze centrali. La legge di Gravitazione Universale. Massa inerziale e massa gravitazionale. Campo gravitazione e ed energia potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero.

Primo Principio della Termodinamica. Sistemi e stati termodinamici. Equilibrio termodinamico e Principio dell’Equilibrio Termico. Temperatura e termometri. Equivalenza di lavoro e calore: esperimenti di Joule. Primo Principio della Termodinamica. Energia interna. Trasformazioni termodinamiche. Calorimetria. Cambiamenti di fase. Trasmissione del calore.

Gas ideali e reali. Leggi dei gas. Equazione di stato dei gas ideali. Trasformazioni di un gas. Lavoro. Calore specifico ed energia interna di un gas ideale. Studio analitico di alcune trasformazioni. Cenni sulla fisica dei gas reali. Teoria cinetica dei gas.

Secondo Principio della Termodinamica. Enunciati del Secondo Principio della Termodinamica. Reversibilità e irreversibilità. Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Teorema di Clausius. Entropia. Il principio di aumento dell’entropia. Energia inutilizzabile.



Testi di riferimento

1. P. Mazzoldi, M. Nigro e C. Voci, Fisica – Volume I, Seconda Edizione (EdiSES, Napoli, 2003);

2. R. P. Feynman, R. B. Leighton e M. Sands, La Fisica di Feynman – Vol. 1, Parte 1 e Parte 2 (Zanichelli; Bologna, 2007) - per approfondimenti


Altro materiale didattico

Una raccolta di esercizi, molti dei quali assegnati durante le prove scritte d'esame, sarà resa disponibile sulla pagina del corso sul portale Studium, nella sezione Documenti.



Programmazione del corso

 *ArgomentiRiferimenti testi
1 Grandezze fisiche e unità di misura (4 ore)Testo 1 - Appendice B 
2*Scalari e vettori (5 ore)Testo 1 - Appendice C 
3 Cinematica (9 ore)Testo 1 - Capitolo 1; Testo 2 - Capitolo 8 
4*Dinamica del punto materiale (12 ore)Testo 1 - Capitoli 2 e 3; Testo 2 - Capitoli 9 e 12 
5*Lavoro ed energia (6 ore)Testo 1 - Capitolo 2; Testo 2 - Capitoli 4, 10, 13 e 14 
6*Dinamica dei sistemi di punti materiali (5 ore)Testo 1 - Capitolo 4; Testo 2 - Capitolo 19 
7*Gravitazione (4 ore)Testo 1 - Capitolo 5; Testo 2 - Capitolo 7 
8*Dinamica del corpo rigido (6 ore)Testo 1 - Capitolo 6: Testo 2 - Capitolo 20 
9*Oscillazioni e onde (6 ore)Testo 1 - Capitolo 9; Testo 2 - Capitoli 21 e 23 
10*Primo Principio della Termodinamica (8 ore)Testo 1 - Capitolo 10; Testo 2 - Capitolo 44 
11 Gas ideali e reali (6 ore)Testo 1 - Capitolo 11; Testo 2 - Capitolo 39 
12*Secondo Principio della Termodinamica (8 ore)Testo 1 - Capitolo 12; Testo 2 - Capitoli 45 e 46 
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame finale consiste in una prova scritta seguita da una prova orale. La prova scritta, di durata pari a 2 ore, consiste nella risoluzione, giustificata e commentata in maniera chiara, di 2 problemi di Meccanica e di 2 problemi di Termodinamica. Alla risoluzione di ogni problema sarà assegnato un punteggio compreso tra 0/30 e 7.5/30.

Gli/le allievi/e che superano la prova scritta con un punteggio almeno pari a 15/30 possono sostenere la prova orale che consiste nella trattazione di almeno 3 distinti agomenti del programma, di cui il primo a scelta dell'allievo/a.

Gli/le allievi/e che avranno superato entrambe le prove in itinere (v. sotto) sono ammessi/e direttamente alla prova orale.


PROVE IN ITINERE

Sono previste due prove in itinere, non obbligatorie, della durata di 1 ora ciascuna, approssimativamentea metà e alla fine del corso. Le prove consistono, rispettivamente, nella risoluzione di 2 problemi di Meccanica e di 2 problemi di Termodinamica, il cui livello di difficoltà è simile agli esercizi svolti in aula e alla risoluzione di ogni problema sarà assegnato un punteggio compreso tra 0/30 e 15/30. Il superamento delle prove in itinere, con un punteggio almeno pari a 15/30 in ognuna di esse, permette direttamente la prenotazione alla prova orale.


PROVE DI FINE CORSO

L'esame finale consiste in una prova scritta seguita da una prova orale. La prova scritta, di durata pari a 2 ore, consiste nella risoluzione, giustificata e commentata in maniera chiara, di 2 problemi di Meccanica e di 2 problemi di Termodinamica. Alla risoluzione di ogni problema sarà assegnato un punteggio compreso tra 0/30 e 7.5/30.

Gli/le allievi/e che superano la prova scritta, con un punteggio almeno pari a 15/30, possono sostenere la prova orale che consiste nella trattazione di almeno 3 distinti agomenti del programma, di cui il primo a scelta del'allievo/a.

Gli/le allievi/e che avranno superato entrambe le prove in itinere sono ammessi/e direttamente alla prova orale.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Le domande poste durante la prova orale d'esame saranno relative esattamente agli argomenti del programma. Ad esempio: "Mi parli del principio di conservazione dell’energia meccanica" oppure "Mi parli dell'equilibrio termodinamico e del principio dell’Equilibrio Termico", ecc. Essendo questo il primo anno di corso tenuto da un nuovo docente, non esiste una statistica di domande più frequenti.

Una raccolta di esercizi, molti dei quali assegnati durante le prove scritte d'esame, sarà altresì resa disponibile sulla pagina del corso sul portale Studium, nella sezione Documenti.




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