FISICA

FIS/01 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

MARIA LETIZIA SERGI
Email: marialetizia.sergi@dfa.unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia


Obiettivi formativi

Il corso ha le seguenti finalità:

1) fornire le conoscenze sulle leggi fisiche fondamentali della meccanica e della termodinamica;

2) fornire gli strumenti necessari per le applicazioni delle leggi fisiche in problemi di dinamica dei sistemi materiali.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Il corso è strutturato prevalentemente in lezioni frontali ed esercizi/applicazioni alla lavagna con il coinvolgimento degli studenti. Verranno, inoltre, utilizzate slides per approfondimenti su taluni specifici argomenti e files multimediali (video e/o audio) per agevolare la comprensione di alcuni argomenti.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Lo studente deve possedere, fin dalle prime lezioni, buone nozioni di algebra, geometria e trigonometria, e nozioni fondamentali del calcolo differenziale. Infatti, lo studio delle grandezze vettoriali, della cinematica e della dinamica del punto materiale (primi argomenti del corso) richiede l'applicazione di tali strumenti matematici. E' fortemente consigliato affrontare lo studio della Fisica I solo dopo aver affrontato quello di Analisi I.



Frequenza lezioni

La frequenza alle lezioni è di fondamentale importanza per lo studente, non solo per usufruire delle spiegazioni dei contenuti affrontati, ma anche per acquisire il corretto e rigoroso approccio che deve necessariamente essere seguito nello studio di una disciplina a carattere fortemente scientifico, come quella in questione. Lo studente è tenuto a frequentare almeno il 70% delle lezioni del corso.



Contenuti del corso

1. INTRODUZIONE

Grandezza fisica - Unità di misura - Equazione dimensionale - Errori di misura - Approssimazione - Notazione scientifica.

2. VETTORI

Generalità - Rappresentazione di grandezze fisiche per mezzo di vettori - Operazioni sui vettori: somma, differenza, prodotto di un vettore per uno scalare, prodotto scalare, prodotto vettoriale - Proprietà commutativa – Proprietà associativa -Componenti di un vettore - Derivata di un vettore - Integrazione.

3. CINEMATICA

Velocità - Accelerazione - Legge oraria - Moto rettilineo uniforme - Moto rettilineo uniformemente accelerato – Moto nel piano - Moto parabolico - Moto circolare uniforme.

4. DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE

Principio di inerzia - Massa inerziale - Forza: 2a legge di Newton - Principio di azione e reazione - Sistemi di riferimento inerziali - Principio di Invarianza Galileana - Trasformazione Galileana - Legge di composizione delle velocità – Leggi della forza: forza gravitazionale, forza peso, forza di attrito, forze elastiche, forze viscose di resistenza del mezzo - Reazioni vincolari - Tensione dei fili - Moto lungo un piano inclinato - Moti circolari: Forze centripete - Sistemi di riferimento non inerziali: forze fittizie - Quantità di moto. Impulso - Momento angolare. Momento meccanico.

5. CONSERVAZIONE DELLA ENERGIA

Lavoro - Energia cinetica - Teorema delle forze vive - Forze conservative - Energia potenziale - Calcolo di energia potenziale - Energia potenziale e forza: diagrammi di energia e stabilità dell’equilibrio - Forze centrali – Conservazione dell'energia meccanica - Forze non conservative.

6. OSCILLAZIONI

Oscillatore armonico semplice:equazione del moto e soluzione - Sistema massa-molla - Pendolo semplice – Energia cinetica e potenziale nei moti armonici semplici - Oscillatore armonico smorzato - Oscillatore armonico forzato.

7. DINAMICA DEI SISTEMI DI PUNTI MATERIALI

Sistemi di punti. Forze interne e forze esterne - Centro di massa di un sistema di punti – Teorema del moto del centro di massa - Conservazione della quantità di moto - Urti tra punti materiali: elastico, anelastico e completamente anelastico - Momento angolare - Momento meccanico - Teorema del momento angolare – Conservazione del momento angolare.

8. DINAMICA DEL CORPO RIGIDO E CENNI DI STATICA

Corpo rigido - Moto di un corpo rigido - Equazione del moto di un corpo rotante - Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso in un sistema di riferimento inerziale - Momento di inerzia rispetto ad un asse fisso - Teorema di Huygens-Steiner - Lavoro ed energia cinetica nel moto rotatorio - Pendolo composto – Moto rototraslatorio - Moto di puro rotolamento - Leggi di conservazione nel moto di un corpo rigido - Statica.

9. GRAVITAZIONE

Forze centrali – la forza gravitazionale – massa inerziale e massa gravitazionale – campo gravitazionale – energia potenziale gravitazionale.

10. MECCANICA DEI FLUIDI

Stati di aggregazione della materia - Definizione di fluido - Gas e liquidi – Fluidiideali e fluidi reali – Densità - Pressione - Statica dei fluidi - Principio di Pascal - Legge di Stevino - Spinta di Archimede - Esperienza di Torricelli - Manometri e Barometri - Dinamica dei fluidi – Portata - Equazione di continuità - Teorema di Bernoulli.

11. TERMOMETRIA E CALORIMETRIA

Equilibrio termico - Concetto di temperatura - Misura della temperatura - Temperatura Kelvin - Definizione calorimetrica di calore - Capacità termica - Calori specifici e calori latenti - Caloria - Sorgenti di calore - Equivalente meccanico del calore.

12. SISTEMI TERMODINAMICI

Sistemi e stati termodinamici - Punto di vista macroscopico - Coordinate termodinamiche - Equilibrio termodinamico - Sistemi termodinamici semplici - Sistemi PVT -Equazione di stato - Equazione di stato dei gas perfetti - Trasformazioni termodinamiche - Trasformazione quasistatica - Trasformazioni reversibili e irreversibili - Trasformazione quasistatica reversibile.

13. CALORE, LAVORO E PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Lavoro in una trasformazione di un sistema PVT - Lavoro adiabatico - Energia interna - Definizione termodinamica del calore - Primo principio della termodinamica - Forma differenziale del primo principio della termodinamica – Energia interna di un gas ideale: esperimento di Joule - Calori specifici dei gas ideali: Relazione di Mayer.

14. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Conversione di lavoro in calore e viceversa - Macchine termiche - Ciclo Otto - Ciclo Diesel - Enunciato di Kelvin Plance del secondo principio della termodinamica - Macchine frigorifere - Enunciato di Clausius del secondo principio della termodinamica - Equivalenza dei due enunciati Ciclo di Carnot - Teorema di Carnot - Macchina di Carnot - Temperatura termodinamica assoluta.

15. ENTROPIA

Teorema di Clausius - Entropia - Entropia e reversibilità - Entropia e irreversibilità - Il principio di aumento dell’entropia - Calcoli di variazione di entropia - Entropia di un gas ideale - Entropia ed energia inutilizzabile.



Testi di riferimento

1. MAZZOLDI, NIGRO, VOCI – Elementi di Fisica: Meccanica, Termodinamica (EdiSES);

2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER " Fondamenti di Fisica (2015) Casa Ed. Ambrosiana;

3. D. ROLLER, R. Blum "Fisica (Vol. I)" Casa Ed. Zanichelli;

4. SERWAY, JEWETT "Principi di Fisica" (2015) Edises;

5. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER "Fundamental of Physics" Casa Ed. Ambrosiana.

Gli studenti sono liberi di utilizzare qualunque altro testo possa essere più conveniente per loro.


Altro materiale didattico

Il materiale didattico è rappresentato prevalentemente dagli appunti acquisiti durante le lezioni e le esercitazioni, arricchiti dalle discussioni innescate dal docente in aula. I testi di riferimento, inoltre, rappresentano un fondamentale strumento per lo studente anche al fine di acquisire la necessaria autonomia nello studio della disciplina. Eventuali diapositive delle lezioni tenute saranno pubblicate su Studium.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Introduzione2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 1 
2Vettori2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 3 
3Cinematica2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 2 e 4 
4Dinamica del punto materiale1. MAZZOLDI, NIGRO, VOCI, Cap. 2, Cap. 3 
5Conservazione dell'energia2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 7 e 8 
6Oscillazioni1. MAZZOLDI, NIGRO, VOCI, Cap. 9 
7Dinamica dei sistemi di punti materiali2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap.9 e 1. MAZZOLDI, NIGRO, VOCI, Cap. 4 
8Dinamica del corpo rigido e cenni di statica2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap.11-14 
9Gravitazione1. MAZZOLDI, NIGRO, VOCI, Cap. 5 
10Meccanica dei fluidi2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap.17-18 
11Termometria e calorimetria2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap.22 
12Sistemi termodinamici2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 23 
13Calore, lavoro e primo principio della termodinamica2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 25 
14Secondo principio della termodinamica ed Entropia2. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER, Cap. 26 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame si basa sulla valutazione di due prove, una scritta e una orale. La prova scritta mira alla verifica delle abilità teorico-pratiche e della capacità di elaborare semplici problemi con l’applicazione delle leggi fondamentali. Si basa di norma su tre quesiti da risolvere motivando la procedura adottata. La valutazione del singolo quesito si basa sui seguenti criteri: corretta interpretazione del testo, corretta procedura di risoluzione, capacità di sintesi nella motivazione della procedura adottata, capacità di elaborare i dati forniti nel rispetto delle leggi fondamentali, corretto uso delle unità di misura. La prova scritta ci considera superata se la valutazione complessiva è maggiore o uguale a 15/30. In caso di valutazione complessiva minore di 15/30 la partecipazione alla prova orale è sconsigliata. La prova orale si svolge con un colloquio sugli argomenti trattati durante il corso e mira alla verifica delle conoscenze dei contenuti trattati e alla capacità di elaborazione delle leggi della fisica. La valutazione della prova orale è basata sui seguenti criteri: livello di conoscenza degli argomenti richiesti, capacità espressiva e proprietà di linguaggio, capacità di applicare le conoscenze a semplici casi studio, capacità di collegamento dei diversi temi del programma di insegnamento.

La valutazione dell’esame complessivo si basa sulla valutazione delle due prove effettuate.La prenotazione per l’ appello d’esame è obbligatoria e dovrà essere eseguita esclusivamente via internet, attraverso il portale studenti, entro il periodo previsto.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

- Discutere dei principi di conservazione dell'energia meccanica, della quantità di moto e del momento angolare;

- Trattare i principi della termodinamica con le dovute applicazioni;

- Enunciare ed applicare il secondo principio della termodinamica;

- Ricavare l'equazione di Bernoulli per un fluido ideale;

- Descrivere il moto del pendolo semplice, del sistema massa molla e di un corpo rigido.




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