1014247 - FISICA II E LABORATORIO

Il taglio di questo corso è di tipo teorico-fenomenologico e sperimentale e ha come obiettivo formativo specifico la comprensione dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Lo studio di fenomeni di Elettromagnetismo e Ottica in Fisica Classica e l’esecuzione di semplici esperimenti permetteranno agli studenti di acquisire la capacità di analizzare dati sperimentali e di produrre una relazione scientifica. Saranno in tal modo sviluppate le loro abilità comunicative sia orali che in forma scritta. Inoltre il corso fornirà agli studenti strumenti e strategie mirate al "problem solving".

In riferimento ai Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le competenze trasversali riportate nel seguito.

Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge & Understanding):

• capacità di ragionamento induttivo e deduttivo;

• capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali;

• capacità di impostare un problema, utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici;

• capacità di allestire e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali e di utilizzare strumentazione scientifica per misure meccaniche,  elettromagnetiche e ottiche;

• capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying Knowledge & Understanding):

• capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico;

• capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti in tutte le aree di interesse della fisica, incluse quelle con applicazioni tecnologiche;

Autonomia di giudizio (Making Judgements):

• capacità di ragionamento critico;

• capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali;

• capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate;

Abilità comunicative (Communication Skills):

• capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati;

Capacità di apprendimento (Learning Skills):

• capacità di saper ampliare le proprie conoscenze attraverso la ricerca bibliografica e la lettura e comprensione di testi scientifici.

NOTA BENE

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: a garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi al docente referente CInAP (Centro per l'Integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Chimiche.

Corso di 9 CFU = 87 ore: 6 CFU (42 ore) FISICA 2 + 3 CFU (45 ore) LABORATORIO 

erogato al II semestre del I anno così ripartiti:

• FISICA 2: lezioni frontali per 6 CFU = 42 ore (1 CFU = 7 ore) i.e. 21 lezioni da 2 ore;
• LABORATORIO: 3 CFU = 45 ore (1 CFU = 15 ore) di cui 2 CFU (30 ore) dedicate ad attività sperimentale in Laboratorio e 1 CFU (15 ore) di Esercitazioni in aula o Laboratorio dedicate alla spiegazione e preparazione delle attività sperimentali, all'apprendimento dell'uso della strumentazione alla spiegazione dei contenuti di Teoria degli Errori, necessari per effettuare l'analisi dei dati sperimentali, e all'addestramento alla stesura della Tesina scientifica da produrre a valle della Prova Pratica finale. 

La frequenza del corso - sia per le Lezioni frontali che di Esercitazioni in aula e le attività sperimentali in Laboratorio - è OBBLIGATORIA (riferirsi al Regolamento Didattico del CORSO di LAUREA in Chimica Sostenibile per l'Industria, l'Ambiente e l'Energia" CLASSE - Scienze e tecnologie chimiche - L27 COORTE 2025-2027). 

La frequenza sarà accertata dal docente con appello giornaliero, sia per ogni Lezione frontale che per ogni Esercitazione in aula e ogni attività in Laboratorio.

LABORATORIO (3 CFU):

A. METROLOGIA & TEORIA degli ERRORI

A.1 METROLOGIA

Il Metodo Scientifico o Sperimentale di G.Galilei. Definizione operativa di grandezze fisiche. Misurazione di grandezze fisiche in modalità diretta e indiretta, grandezze fondamentali e derivate. Misurazione diretta di grandezze fisiche fondamentali: la Lunghezza e il metro, il Tempo e il secondo, la Massa e il kg. La grandezza Area. Analisi dimensionale e grandezze adimensionali (l'Angolo). Sistemi di Unità di Misura e il Sistema Internazionale. La notazione scientifica e le potenze di 10. Cifre significative e regole di arrotondamento. Organizzazione dei risultati di una misurazione: a) rappresentazione tabulare (tabelle statistiche e tabelle funzionali), b) rappresentazione grafica: grafici xy (scelta della scala, uso carta millimetrata, scala logaritmica e semi-logaritmica); istogrammi (di densità e di frequenza) e loro uso, c) rappresentazione analitica: legge fisica e campo di definizione.

A2. ELEMENTI di TEORIA degli ERRORI

Incertezza o errore di una misura, rappresentazione in notazione scientifica, rappresentazione grafica. Sorgenti di errore. Errore assoluto ed errore relativo, accuratezza e precisione di una misura. Errori casuali ed errori sistematici. Propagazione degli errori sistematici e regole di propagazione: somma/differenza, prodotto/quoziente, prodotto per una costante, potenza e logaritmo. Introduzione all'analisi o indagine statistica di dati. Popolazione, unità e campione statistico. Variabile casuale e indici statistici di tendenza centrale, dispersione e forma. Media di una popolazione e di un campione; media ponderata. Campo di variazione, scarto, scarto assoluto, varianza, deviazione, scarto quadratico medio. Covarianza e correlazione, indice di correlaizone (coefficiente di Pearson), correlazioni spurie. Il rigetto dei dati e il criterio di Chauvenet. Propagazione degli errori statistici e regole di propagazione: somma/differenza, prodotto/quoziente, prodotto per una costante, potenza e logaritmo. Il problema di combinare misure separate: pesi, media pesata ed errore sulla media pesata. La procedura di interpolazione e criteri per la scelta della curva di interpolazione; interpolazione lineare, polinamiale cubica, seno cardinale; l'interpolazione statistica: il Metodo dei Minimi Quadrato o "best-fit", incertezza sulla misura della variabile dipendente, indeterminazione dei coefficienti A e B e delle loro incertezze. Introduzione alle distribuzioni di probabilità; distribuzione normale o di Gauss e sua applicazione a misure ripetute di grandezze fisiche affette da errori casuali; la distribuzione di Gauss standardizzata; funzione di densità e limiti di confidenza e sua applicazione ai dati sperimentali.

Inferenza statistica e test di verifica di ipotesi: introduzione e definizioni; il test del Chi-quadro e applicazione ai dati sperimentali; il test Chi-quadro ridotto e gradi di libertà; probabilità della funzione Chi-quadro ridotto e limiti di significatività, uso della Tabella delle probabilità.  

B. INTRODUZIONE agli ESPERIMENTI

Uso degli strumenti di misura e loro sensibilità. Spiegazione degli esperimenti da eseguire in Laboratorio per la misura di grandezze fisiche legate alla meccanica classica, all’elettromagnetismo, all’ottica geometrica e ondulatoria.

C. ESPERIENZE DI LABORATORIO:

MECCANICA 

• misura della costante elastica di una molla;
• misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice;
• misura della coefficiente di viscosità della glicerina;

ELETTROMAGNETISMO

• misure di resistenze con il Metodo Volt-Amperometrico
• misure di resistenze con il Ponte di Wheatstone;
• misure di resistenze di alto valore con circuito RC e analisi della carica/scarica di un condensatore; 

OTTICA

• misura della distanza focale di una lente convergente;
• Verifica della Legge di Malus e misura della concentrazione di una soluzione zuccherina;

NOTA: un'attività sperimentale, dedicata all'applicazione di fenomeni di Fisica 2 alla sostenibilità in campo dell'Industria, dell'Ambiente o dell'Energia, potrebbe essere inserite, in aggiunta o in sostituzione, alla lista delle esperienze classiche sopra elencate.

FISICA 2 (6 CFU):

1. ELETTROSTATICA 

Introduzione. La carica elettrica e il Coulomb. Serie triboelettrica. Conduttori, isolanti e semi-conduttori. Induzione elettrostatica per i conduttori. Polarizzazione per gli isolanti. La Legge di Coulomb. Forza di Coulomb per un sistema di cariche e Principio di Sovrapposizione. Concetto di Campo di Forze. Il Campo elettrostatico nel vuoto. Campo elettrico generato da una carica puntiforme. Linee di Forza. Campo elettrico generato da un sistema discreto di cariche. Dipolo elettrico, campo elettrico generato dal dipolo, momento di dipolo. Campo elettrico generato da un sistema continuo di carica. Densità di carica lineare, superficiale e volumetrica. Campo elettrico generato da una sbarretta carica. Moto di particelle cariche q in campo elettrico E uniforme: a)q inizialmente in quiete; b)q con velocità iniziale perpendicolare a E. Concetto di Flusso di un campo di forze. Flusso del Campo Elettrico. La Legge di Gauss. Calcolo di E con il Teorema di Gauss in casi notevoli: carica puntiforme, lamina piana carica, due piani paralleli carichi. Carattere conservativo del campo elettrostatico, lavoro elettrostatico ed energia potenziale del campo elettrostatico. Il Potenziale elettrico, il Volt e l'eV. Differenza di potenziale (d.d.p.) e variazione di energia potenziale per una carica in campo elettrico uniforme. Potenziale elettrico per carica puntiforme e sistema discreto di cariche. Conduttori in equilibrio elettrostatico e proprietà. Potenziale elettrico di un conduttore carico, di un conduttore sferico, di un conduttore generico e il "potere delle punte". Cavità in un conduttore carico e la Gabbia di Faraday.

2. CORRENTI ELETTRICHE STAZIONARIE

Cariche in movimento e corrente elettrica, intensità di corrente e l'Ampere. Corrente continua e corrente alternata. La Legge di Ohm. Resistori, resistività e resistenza elettrica. Potenza dissipata da una resistenza. Resistenze in serie e in parallelo. Generatori di forza elettromotrice o d.d.p.. Le Leggi di Kirchhoff dei circuiti: I Legge o legge dei nodi, II Legge o legge delle maglie. Misure di corrente con amperometri e misure di tensione con voltmetri. Analisi di circuiti semplici. Condensatori e capacità. Condensatori a facce piane parallele. Condensatore collegato ad una batteria. Energia elettrostatica di un condensatore carico. Condensatori in serie e in parallelo. Cenni di condensatori con dielettrico. Circuiti RC in regime transiente, costante o tempo caratteristico, analisi della corrente e della carica nelle fasi di carica/scarica.

3. MAGNETOSTATICA
Introduzione al Magnetismo: materiali magnetici, poli magnetici e aghi magnetici, il campo magnetico terrestre, unità di misura del campo magnetico, gli esperimenti di Oersted e Ampere. Linee di forza e flusso del campo magnetico. La Forza di Lorentz: proprietà, lavoro e confronto con forza elettrica. Moti di particella carica in campo magnetico: moto circolare uniforme e uso dello spettrometro di massa, moto elicoidale uniforme, moto vario (“bottiglia magnetica”) e fasce di Van Allen. La scoperta di Thomson dell'elettrone: misura del rapporto e/m. Il ciclotrone: acceleratore di particelle cariche. II Legge elementare di Laplace; casi notevoli: forza magnetica su conduttore rigido rettilineo, su conduttore curvilineo, su circuito chiuso, percorsi da corrente; applicazioni. Spira magnetica, momento magnetico di dipolo e unità di misura, momento meccanico. Principio di equivalenza di Ampere. I Legge elementare di Laplace e Legge di Ampere-Laplace; caso notevole del filo rettilineo finito. Legge di Biot-Savart. Forza magnetica tra fili conduttori percorsi da corrente e unità di misura della corrente. La Legge di Ampere e le correnti concatenate; casi notevoli: campo magnetico di un solenoide (bobina), campo magnetico d un solenoide toroidale.

4. CAMPI ELETTROMAGNETICI

La Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Mutua induzione e auto-induzione. Induttori e induttanze in serie e in parallelo, circuito RL. Densità di energia del campo magnetico. Correnti alterate e circuiti RL e RCL. Le Equazioni di Maxwell nel vuoto. La scoperta delle onde elettromagnetiche. Equazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. Onde piane. Campi elettrici e magnetici nelle onde piane. Energia e impulso nei campi elettromagnetici. Irraggiamento di una carica oscillante e radiazione di dipolo. Lo spettro elettromagnetico.

5. OTTICA GEOMETRICA e ONDULATORIA

Riflessione e rifrazione della luce. Velocità della luce in un mezzo. Indice di rifrazione. Principio di Huygens-Fresnel. Angolo limite. Riflessione totale. Prisma. Coefficienti di Fresnel. Angolo di Brewster. Polarizzazione e Legge di Malus. Costruzione di immagini in ottica geometrica. Distanza focale. Ingrandimento. Lenti sottili. Equazione delle lenti. Potere convergente. 

Il fenomeno di Interferenza. Interferenza da due fenditure. Posizione di minimi e massimi di interferenza. Il fenomeno della Diffrazione. Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura rettilinea singola. 

6. ELEMENTI di FISICA 2 e APPLICAZIONI in SOSTENIBILITA' dell'INDUSTRIA, AMBIENTE ed ENERGIA

Cenni di applicazione dei principi della Fisica Generale 2, in particolare di elettromagnetismo ed onde, allo studio e alla risoluzione di problemi ambientali. Impatti fisici in Ambiente. Cenni di radioattività ambientale, radiazioni non ionizzanti (NIR) ed "elettrosmog", acustica, rumore e inquinamento acustico, inquinamento atmosferico. Fonti energetiche. La questione ambientale e l'approvvigionamento energetico. Interazione tra sistemi energetici e industriali e ambiente, impatto emissioni inquinanti e uso di impianti energetici e industriali.

1. Mazzoldi P., Nigro M.,Voci C.: "Elementi di Fisica - Elettromagnetismo" ed. EdiSES, Napoli - Testo di riferimento per il Modulo di FISICA 2
2. J. Taylor "Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche", ed. Zanichelli - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio (parte A "Teoria degli Errori") 
3. A. Insolia, F. Riggi: "Laboratorio di Fisica", ed. CULC, Catania - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio (parte B+C: "Esperimenti").

Materiale didattico aggiuntivo (appunti e dispense formulate dal docente), sarà fornito durante il corso dal docente.

Il giorno dell'Appello d'esame, gli studenti dovranno sostenere una Prova Scritta pre-selettiva (durata 1 ora) consistente nella soluzione di 4 semplici esercizi relativi ad argomenti trattati nella parte del corso riguardante la FISICA 2. La prova scritta pre-selettiva si intende superata se verranno svolti correttamente almeno 3 esercizi, dando diritto all'idoneità (senza votazione, ovvero "prova superata" o "prova non superata") cioè al passaggio alla Prova Orale. A seguire la Prova Scritta, nel giorno dell'Appello d'esame, gli studenti eseguiranno una Prova Pratica di laboratorio, selezionata a sorteggio tra tutte quelle svolte in Laboratorio durante il corso. Gli studenti avranno 2 ore di tempo per la presa dati da utilizzare per la redazione di una Relazione scientifica scritta (Tesina) da presentare, in caso di idoneità allo scritto, all'atto della Prova Orale. Gli studenti che avranno superato la Prova Scritta pre-selettiva, guadagnando l'idoneità, svolgeranno l'Esame Orale che verterà su argomenti sia di FISICA 2 che di LABORATORIO, con particolare riguardo all'analisi dei dati raccolti durante la Prova Pratica. L'Esame Orale e la discussione della Tesina di Laboratorio devono svolgersi ENTRO e NON OLTRE 15 giorni al massimo dalla Prova scritta & Prova Pratica, in date che saranno rese note il giorno dell'Appello d'Esame. Chi non produce la Tesina e non si presenta all'orale nei tempi prestabiliti, ripeterà l'intera procedura in uno degli appelli successivi. Il voto finale terrà conto delle valutazione della Tesina sulla Prova Pratica e dell'Esame Orale.

Per le date di Esame finale dell'insegnamento di "Fisica 2 e Laboratorio" si invitano gli studenti a consultare il Calendario di Esami del Corso di Laurea Triennale L27 in Chimica Sostenibile per l'Industria, l'Ambiente e l'Energia: 

https://www.dsc.unict.it/corsi/l-27-sost/esami

In totale sono programmati 10 appelli nell'A.A. 2025-2026 così distribuiti: 2 appelli in Prima Sessione, 2 appelli in Seconda Sessione, 2 appelli in Terza Sessione, 2 appelli straordinari in Sospensione Didattica (per studenti fuori corso, per laureandi, per studenti di all'art.27 del RDA e per gli studenti iscritti regolarmente ad anni successivi al primo per consentire loro di recuperare gli esami degli anni precedenti non ancora superati, ai sensi dell'art.16, comma 5 bis del RDA), 2 appelli straordinari per Fuori Corso (per studenti fuori corso, per laureandi, per studenti di cui all'art.27 del RDA).

Le domande e gli esercizi proposti agli esami si riferiranno esclusivamente ai contenuti effettivamente svolti durante le lezioni e presenti in programma. 

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano soltanto alcuni esempi.

Domande tipiche poste all'esame orale su argomenti irrinunciabili (Elettrostatica, Elettromagnetismo, Ottica):

1) scrivere e commentare l'equazione della Legge di Coulomb (nel vuoto e nella materia) indicando inoltre, per ogni variabile, il suo significato e la sua unità di misura;

2) cosa afferma la Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica? Precisare anche il significato fisico di ogni grandezza coinvolta e la relativa unità di misura;

3) spiegare il fenomeno della rifrazione in Ottica Geometrica e le sue leggi, facendo riferimento all'esperienza di laboratorio.