FISICA II E LABORATORIO A - L

FIS/01 - 10 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

CATIA MARIA ANNUNZIATA PETTA
Email: catia.petta@ct.infn.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia, 2.o piano, 207
Telefono: 095.3785392
Orario ricevimento: Lunedi e Mercoledi 15.30-18. Il docente garantisce la sua presenza per tutto il tempo necessario ai colloqui con gli studenti che si presenteranno entro le 15.45. Se non si sarĂ  presentato alcuno studente, alle 15.45 il ricevimento sarĂ  chiuso.


Obiettivi formativi

Obiettivo formativo del corso di Fisica II è la conoscenza di base:

- dell'elettromagnetismo classico, sia nel vuoto che nei mezzi isotropi ed omogenei;

- dell'ottica, geometrica e fisica;

unita all'acquisizione della capacità di risoluzione dei problemi di elettromagnetismo.

Ulteriore e fondamentale obiettivo è l'apprendimento del metodo sperimentale per la misura in laboratorio di grandezze fisiche e la verifica di leggi fisiche.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali, svolgimento di esercitazioni in aula e di esperienze di laboratorio.


Prerequisiti richiesti

Le basi di matematica necessarie per poter seguire il corso con profitto sono: sistemi di riferimento in coordinate cartesiane, polari e cilindiriche; trigonometria; calcolo vettoriale; calcolo integrale e differenziale di funzioni di più variabili reale.
Sono inoltre fondamentali molti argomenti del corso di Fisica I.
All'interno corso vengono fornite alcune nozioni base riguardanti gli operatori differenziali vettoriali, e vengono presentati il teorema della divergenza e il teorema di Stokes.



Frequenza lezioni

La frequenza del corso è obbligatoria.



Contenuti del corso

ELETTROSTATICA

1.1 – Forza elettrostatica. Campo elettrostatico.

La composizione della materia e la presenza di interazioni elettriche tra i suoi costituenti carichi. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Materiali isolanti e conduttori. Processi di elettrizzazione. Forza tra cariche elettriche. La legge di Coulomb. Il campo elettrostatico. Calcolo di campi elettrostatici per distribuzioni discrete e continue. Le linee di forza. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Esperienza di Millikan.

1.2 – Lavoro elettrico. Potenziale elettrostatico.

Il lavoro della forza elettrica. La tensione elettrica tra due punti. La forza elettromotrice del campo elettrico. Il potenziale elettrostatico. L’energia potenziale elettrostatica. Calcolo del potenziale e dell’energia potenziale elettrostatica per una carica puntiforme e per distribuzioni discrete e continue di carica. Energia potenziale di un sistema di cariche. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Conservazione dell’energia. Moto in un campo centrale. Modello classico dell’atomo di idrogeno. Separatore elettrostatico e tubo a raggi catodici. Il campo elettrostatico come gradiente del potenziale. Calcolo di campi elettrostatici dal potenziale per distribuzioni continue di carica. Il rotore del campo elettrico. Superfici equipotenziali. Campo elettrico e potenziale generato da un dipolo. Moto di un dipolo in un campo elettrico uniforme. Energia potenziale di un dipolo posto in un campo. Molecole polari.

1.3 –La legge di Gauss.

Flusso del vettore campo elettrostatico. Dimostrazione del teorema di Gauss. Applicazioni del teorema di Gauss: guscio sferico, sfera, filo e piano uniformemente carichi. Legge di Gauss in forma locale: equazioni di Poisson e di Laplace.

1.4 – Conduttori. Dielettrici. Energia elettrostatica.

Conduttori in equilibrio. Induzione elettrostatica. Conduttore cavo. Schermo elettrostatico. Condensatori nel vuoto. Collegamento di condensatori. Energia elettrostatica.

Dielettrici. Costante dielettrica relativa, assoluta, suscettività elettrica. Polarizzazione dei dielettrici. Definizione del vettore D (induzione dielettrica). Legge di Gauss e di Poisson nei dielettrici.

CORRENTI STAZIONARIE E CAMPI MAGNETOSTATICI

2.1 – Corrente elettrica.

Conduzione elettrica. Corrente media, corrente istantanea, densità di corrente. Legge di Ohm per i conduttori ohmici. Conducibilità e resistività. Modello classico della conduzione. Resistenza elettrica. Dipendenza dalla temperatura. Superconduttori. Energia elettrica e potenza assorbita. Generatori di f.e.m. Resistenze in serie e in parallelo. Leggi di Kirchhoff. Carica e scarica di un circuito RC.

2.2 – Campo magnetico.

Proprietà dei magneti. Campo magnetico. Forza di Lorentz.

Forza magnetica su un filo percorso da corrente: seconda legge elementare di Laplace. Coppia agente su di una spira percorsa da corrente immersa in un campo magnetico uniforme. Momento magnetico di una spira percorsa da corrente stazionaria. Effetto Hall. Moto di una particella in un campo magnetico uniforme. Il selettore di velocità. Lo spettrometro di massa. Il ciclotrone.

2.3 – Sorgenti del campo magnetico. Legge di Ampère. Proprietà magnetiche della materia.

Campo magnetico prodotto da un elemento di corrente – prima legge elementare di Laplace.

Permeabilità magnetica del vuoto. Legge di Ampère-Laplace per il campo magnetico generato da un circuito chiuso percorso da corrente. Campo magnetico prodotto da un filo rettilineo (legge di Biot-Savart), da una spira circolare, da un solenoide ideale. Forze agenti su fili paralleli percorsi da corrente. Legge di Ampère. Legge di Gauss per il campo magnetico.

Corrente di spostamento. Legge di Ampère-Maxwell. Proprietà magnetiche della materia. Permeabilità e suscettività magnetica. Meccanismi di magnetizzazione e correnti amperiane.

CORRENTI E CAMPI VARIABILI

3.1 – Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo.

Legge di Faraday. Legge di Lenz. Generatori di corrente. Correnti di Foucault. Autoinduzione.

Circuiti RL. Energia magnetica. Densità di energia magnetica. Mutua induzione. Equazioni di Maxwell.

3.2 – Oscillazioni elettriche. Correnti alternate.

Oscillazioni elettriche. Circuito LC ideale. Scarica di un condensatore in un circuito induttivo.

Comportamento di resistori, condensatori e induttori in AC. Reattanze ed impedenza. Circuiti RLC in AC. Risonanza. Potenza in AC. Fattore di potenza. Fattore di merito di un circuito RLC. Trasformatore ideale.

ONDE ELETTROMAGNETICHE

4.1 – Onde elettromagnetiche.

Onde elettromagnetiche piane. Onde elettromagnetiche piane armoniche. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Vettore di Poynting. Intensità di un’onda e.m. Pressione di radiazione. Spettro elettromagnetico. Onde sferiche.

OTTICA

5.1 – Riflessione e rifrazione della luce.

Velocità della luce in un mezzo. Indice di rifrazione. Formula di Cauchy. Principio di Huygens-Fresnel. Riflessione e rifrazione. Angolo limite. Riflessione totale. Dispersione cromatica. Prisma. Coefficienti di Fresnel. Angolo di Brewster. Polarizzazione per riflessione. Polarizzazione per assorbimento selettivo e diffusione. Legge di Malus. Birifrangenza. Attività ottica.

5.2 – Ottica geometrica.

Costruzione di immagini in ottica geometrica. Specchi sferici e piani. Distanza focale. Ingrandimento. Diottri sferici e piani. Potere diottrico. Distanze focali anteriori e posteriori. Ingrandimento. Lenti sottili. Potere convergente. Distanza focale. Equazione dei costruttori di lenti. Ingrandimento. Microscopio ottico. Ingrandimento visuale.

5.3 – Interferenza.

Interferenza da due fenditure. Posizione di minimi e massimi di interferenza. Distribuzione di intensità fra le frange. Metodo dei fasori per il calcolo delle intensità.

5.4 – Diffrazione.

Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura rettilinea singola. Posizione dei minimi di diffrazione. Angolo minimo di risoluzione. Criterio di Rayleigh. Potere risolutivo di una lente. Potere risolutivo lineare di un microscopio.

CENNI DI TEORIA DEGLI ERRORI

Incertezza di una misura. Sorgenti di errore. Stima dell’incertezza nella lettura di scale. Errori casuali ed errori sistematici. Rappresentazione dei dati sperimentali. Cifre significative. Discrepanza tra due misure. Rappresentazione in grafico. Verifica di relazioni con un grafico. Errore relativo o precisione. Propagazione degli errori nelle misure indirette (limite massimo dell’incertezza). Propagazione degli errori nelle misure indirette (incertezze casuali e misure indipendenti).

Analisi statistica di un set di misure: media e deviazione standard. Errore sulla media. Istogrammi di frequenza. Distribuzione di probabilità di Gauss. Best-fit lineare e sua incertezza. Test del chi-quadro.

ESPERIENZE DI LABORATORIO

Misura del tempo di reazione agli stimoli luminosi e sonori.

Misura della costante elastica di una molla.

Misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice.

Misura del coefficiente di viscosità della glicerina.

Misura di resistenze con il metodo voltamperometrico.

Misura di resistenze di valore elevato, mediante la scarica del condensatore.

Misura del rapporto e/m mediante deflessione magnetica.

Misura della distanza focale di una lente convergente.

Verifica della legge di Malus e misura di concentrazioni di soluti otticamente attivi.



Testi di riferimento

1. P.Mazzoldi, N.Nigro, C.Voci: ELEMENTI DI FISICA, Vol.II - Elettromagnetismo e Onde, EdiSES Napoli

2. D. Halliday, R.Resnick: FISICA 2, Ed. Ambrosiana

3. R.A.Serway – Fisica Vol.II - ed.EdiSES

4. P.A.Tipler, G.Mosca - Physics for scientists and engineering, W.H.Freeman and Company

5. J. Taylor: Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche, Zanichelli


Altro materiale didattico

Il materiale didattico è disponibile su Studium.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Elettrostatica1, 2, 3, 4 
2Correnti stazionarie e campi magnetostatici1, 2, 3, 4 
3Correnti e campi variabili1, 2, 3, 4 
4Onde elettromagnetiche1, 2, 3, 4 
5Ottica1, 2, 3, 4 
6Cenni di teoria degli errori


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

prova scritta, esperienza di laboratorio e colloquio orale


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

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