FISICA I J - Pr

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 338 (3° piano)
Telefono: +390953785504
Orario ricevimento: Lunedì e Venerdì, dalle 17:00 alle 18:00. Il docente è disponibile anche ad incontri di ricevimento in modalità telematica, previo appuntamento. Eventuali avvisi di indisponibilità saranno diramati attraverso Microsoft Teams e/o Studium.


Obiettivi formativi

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze qualitative e quantitative di base sugli argomenti della meccanica classica e della termodinamica inclusi nella sezione "Contenuti del corso", nonchè la capacità di sapere applicare il Metodo Scientifico alla risoluzione di problemi reali e concreti.

In particolare, e con riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso si propone di fornire le seguenti conoscenze e capacità.

Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge and understanding abilities)

Conoscenza dei principali aspetti fenomenologici relativi alla meccanica classica ed alla termodinamica e comprensione delle loro implicazioni fisiche e della loro descrizione matematica, al fine di maturare una capacità di riflettere su questioni di scienza che presenti dei tratti di originalità.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying knowledge and understanding abilities)

Capacità di riconoscere le principali leggi fisiche che reggono un fenomeno in meccanica e in termodinamica, e di applicarle per risolvere problemi ed esercizi in ambiti diversi e a diversi livelli di complessità, e quindi di approssimazione, con l'uso di strumenti matematici appropriati.

Autonomia di giudizio (Ability of making judgements)

Capacità di stimare e calcolare l'ordine di grandezza delle variabili che descrivono un fenomeno fisico (in meccanica e in termodinamica). Capacità di discernere il livello di importanza di una legge fisica (assioma, principio di conservazione, legge universale, teorema, legge in forma globale/integrale o locale/differenziale e sua generalità, proprietà dei materiali, ecc.). Capacità di saper valutare il Modello Fisico ed il corrispondente Modello Matematico che meglio si applicano alla descrizione di un processo fisico e quindi alla soluzione di problemi quantitativi.

Abilità comunicative (Communication skills)

Capacità di esporre concetti scientifici propri della Fisica ma anche, e più in generale, informazioni, idee, problemi e soluzioni con proprietà e inambiguità di linguaggio, a diversi livelli e a diversi interlocutori, sia specialisti e che non specialisti.

Capacità di apprendimento (Learning skills)

Capacità di apprendimento dei concetti scientifici propri della Fisica, necessari per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'attività didattica consiste di lezioni frontali ed esercitazioni (per un totale di 9 CFU, di cui 7 di lezioni frontali e 2 di esercitazioni), affiancate da attività di tutoraggio(*). Le esercitazioni prevedono la risoluzione, sia guidata sia autonoma, di compiti ed esercizi. Ove possibile, sono utilizzate strategie innovative di insegnamento ed apprendimento. Durante ogni lezione è, inoltre, lasciato spazio agli studenti per domande, curiosità e commenti, in modo da massimizzare l'interazione docente-discenti.

N.B.: nel caso in cui la situazione contingente relativa alla pandemia da COVID-19 lo richiedesse, le lezioni potranno svolgersi anche per via telematica sulla piattaforma Microsoft Teams (si veda in proposito la guida per gli studenti predisposta dall'Ateneo). In tal caso potranno essere introdotte delle variazioni rispetto a quanto descritto nel presente syllabus, al fine di rispettare per quanto possibile le finalità del corso e il programma previsto, riportati rispettivamente nelle sezioni "Obiettivi formativi" e"Contenuti del corso".

*) Se durante l'anno accademico sono disponibili tutor specialistici per il corso.


Prerequisiti richiesti

Seppur nessuna propedeuticità è imposta ufficialmente, è estremamente utile che lo studente abbia padronanza degli argomenti di matematica elementare (algebra, geometria, trigonometria, geometria analitica) e conoscenza di quelli di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale). Infatti, per l'esposizione dei concetti fisici inclusi nel programma del corso si fa uso dei seguenti strumenti matematici: equazioni e sistemi di equazioni di 1° e di 2° grado, funzioni trigonometriche e loro proprietà, funzioni esponenziali e loro proprietà, funzioni logaritmiche e loro proprietà, equazioni di luoghi di punti nel piano e nello spazio, derivate e integrali di funzioni di una variabile, equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti.

Per l'apprendimento, e/o il consolidamento, in autonomia delle conoscenze preliminari richieste possono risultare utili i corsi di matematica e di analisi matematica di base disponibili su piattaforme di e-learning quali ad esempio Federica Web Learning e Coursera for Campus, a cui gli studenti dell'Ateneo hanno accesso.



Frequenza lezioni

Seppur non obbligatoria, la frequenza delle lezioni è fortemente consigliata. E' esperienza oramai acquisita che alcuni concetti spiegati in aula durante le lezioni, e analizzati in dettaglio in sessioni in aula di domande da parte dei discenti e di risposte da parte del docente, possono risultare di non immediata comprensione nel contesto di uno studio individuale condotto in autonomia. Inoltre, in base alle rilevazioni statistiche fatte negli anni passati, il tempo necessario per il superamento dell'esame finale e la relativa votazione conseguita dipendono sensibilmente dal fatto di aver seguito o meno tutte le lezioni.



Contenuti del corso

CONCETTI INTRODUTTIVI

Grandezze fisiche e unità di misura. Il metodo scientiifico. Grandezza fisica e unità di misura. Il Sistema Internazionale (SI). Notazione scientifica. Questioni dimensionali. Grandezze fondamentali e grandezze derivate. Errori di misura e approssimazioni. Cifre significative. Approssimazioni di funzioni.

Scalari e vettori. Grandezze scalari e vettoriali. Invarianza e simmetria. Algebra dei vettori. Analisi vettoriale: derivate e integrali di vettori.

MECCANICA

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

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

Lavoro ed energia. Lavoro, potenza ed energia cinetica. Teorema dell'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 di una forza. Forze centrali.

Dinamica dei sistemi di punti materiali. Sistemi di punti. Forze interne e forze 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. Urti.

Dinamica del corpo rigido. Definizione di corpo rigido e sue proprietà. Moto di un corpo rigido. Corpi continui, densità e posizione del centro di massa. Rotazioni rigide attorno ad un asse in un sistema di riferimento inerziale. Energia e lavoro rotazionali. Momento d’inerzia. Teorema di Huygens-Steiner. Pendolo composto. Moto di puro rotolamento. Conservazione dell'energia nel moto di un corpo rigido. Attrito volvente.

Oscillazioni e onde. Proprietà dell'equazione differenziale dell'oscillatore armonico. Oscillatore armonico semplice: equazione del moto e sua soluzione. Moto di una massa collegata ad una molla. Energia dell’oscillatore armonico semplice. Oscillatore armonico smorzato e forzato. Risonanza.

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

TERMODINAMICA

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. Lavoro e calore. Calorimetria. Cambiamenti di fase. Trasmissione del calore.

Gas ideali. Leggi del gas ideale. Equazione di stato del gas ideale. Trasformazioni di un gas. Lavoro. Calore specifico ed energia interna del gas ideale. Studio analitico di alcune trasformazioni. Trasformazioni cicliche. Ciclo di Carnot. Teoria cinetica dei gas. Equipartizione dell'energia.

Secondo Principio della Termodinamica. Enunciati del Secondo Principio della Termodinamica. Reversibilità e irreversibilità. Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Teorema di Clausius. La funzione di stato entropia. Il principio di aumento dell’entropia dell'universo. Calcoli di variazioni di entropia. Entropia del gas ideale. 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

Raccolte di esercizi svolti e organizzati per livelli di difficoltà crescente, fino al livello pari a quello richiesto per superare la/le prova/e preliminare/i d'esame, e presentazioni (se utilizzate dal docente durante le lezioni) sono pubblicati in formato PDF nella sezione "Documenti" della pagina del corso sul portale Studium.

Saranno pure rese disponibili le videoregistrazioni, non editate né formattate, delle lezioni tenute dal docente (in lingua italiana) per via telematica durante l'Anno Accademico 2019-2020 a causa dell'emergenza dovuta alla pandemia COVID-19.

N.B.: le lezioni videoregistrate potrebbero contenere argomenti che non fanno più parte del programma per il corrente Anno Accademico, o non contenere argomenti che invece ne fanno parte, per cui esse non sostituiscono la presenza in aula e lo studio dei libri di testo.



Programmazione del corso

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


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

PROVE IN ITINERE

Sono previste due prove in itinere, non obbligatorie, della durata di 1 ora ciascuna, la prima calendarizzata durante la pausa didattica del secondo semestre e la seconda dopo la fine del corso. Possono sostenere le prove in itinere solo gli studenti in corso.

La prima prova in itinere consiste nella risoluzione di 2 problemi di Meccanica, relativi agli argomenti del programma svolti prima della pausa didattica del secondo semestre. La seconda prova in itinere consiste invece nella risoluzione di 1 problema di Meccanica, relativo agli argomenti del programma svolti dopo la pausa didattica del secondo semestre, e 1 problema di Termodinamica.

Alla risoluzione di ogni problema è assegnato un punteggio compreso tra 0/30 e 7,5/30 in relazione (1) alla completezza della descrizione del Modello Fisico e di quello Matematico utilizzati per la risoluzione, (2) alla correttezza della trattazione matematica e, naturalmente, (3) alla correttezza del risultato, sia da un punto di vista numerico che dimensionale.

Se il punteggio globale conseguito nelle due prove in itinere è pari o superiore a 18/30, è possibile sostenere direttamente la prova orale in uno degli appelli della Seconda e delle Terza sessione di esami per studenti in corso. Se invece il punteggio globale conseguito nelle due prove in itinere è inferiore a 18/30 si è sconsigliati/e dal sostenere la prova orale. Essere sconsigliati/e non equivale tuttavia ad un divieto formale a sostenere la prova orale. Questa va comunque sostenuta in uno degli appelli della Seconda e delle Terza sessione di esami per studenti in corso.

N.B.: nel caso in cui la situazione contingente relativa alla pandemia da COVID-19 lo richiedesse, le prove in itinere si svolgeranno per via telematica sulla piattaforma Microsoft Teams (si veda in proposito la guida per gli studenti predisposta dall'Ateneo). Le prove avranno luogo tecnicamente nella maniera seguente:

PROVE DI FINE CORSO

L'esame finale si compone di una prova preliminare seguita da una prova orale.

La prova preliminare consiste nella risoluzione, giustificata e commentata in maniera chiara, di 2 problemi di Meccanica e di 2 problemi di Termodinamica nel tempo massimo di 2 ore.

Solo negli appelli della Seconda e delle Terza sessione di esami per studenti in corso, vi è la possibilità, qualora lo studente lo volesse, di suddividere tale prova nelle seguenti due prove intermedie:

All’inizio della prova preliminare, lo studente deve informare il docente se intende avvalersi di tale possibilità.

Alla risoluzione di ogni problema sarà assegnato un punteggio compreso tra 0/30 e 7.5/30 in relazione (1) alla completezza della descrizione del Modello Fisico e di quello Matematico utilizzati per la risoluzione, (2) alla correttezza della trattazione matematica e, naturalmente, (3) alla correttezza del risultato, sia da un punto di vista numerico che dimensionale.

Gli/le allievi/e che ottengono nella prova preliminare o nelle due prove preliminari intermedie un punteggio inferiore a 18/30 sono sconsigliati/e dal sostenere la prova orale. Essere sconsigliati/e non equivale tuttavia ad un divieto formale a sostenere la prova orale.

La prova preliminare deve essere sostenuta nell’ambito dello stesso appello in cui si intende sostenere la prova orale. Nel caso invece delle prove preliminari intermedie, solo la seconda deve essere sostenuta nell’ambito dello stesso appello in cui si intende sostenere la prova orale e comunque tale appello deve essere uno di quelli della Seconda e delle Terza sessione di esami per studenti in corso.

La prova orale (durata 30-40 min circa) consiste nella trattazione di almeno tre (3) distinti argomenti del programma, di cui il primo a scelta dell'allievo/a. Durante la prova orale può essere richiesta la dimostrazione di teoremi e di risultati importanti inclusi nel programma con valutazioni numeriche dell'ordine di grandezza delle grandezze fisiche che sono coinvolte in un dato fenomeno.

N.B.: nel caso in cui la situazione contingente relativa alla pandemia da COVID-19 lo richiedesse, l’esame finale si svolgerà per via telematica sulla piattaforma Microsoft Teams (si veda in proposito la guida per gli studenti predisposta dall'Ateneo). Le prove preliminari, intermedie o completa, avranno luogo tecnicamente nella maniera seguente:

La prova orale avrà luogo tecnicamente nella maniera seguente:

Durante la prova orale la telecamera dovrà essere posizionata in modo da poter inquadrare anche i fogli del quale l’allievo/a potrà avvalersi per complementare/giustificare quello che dice a voce. In alternativa, l’allievo/a potrà avvalersi di altri dispositivi digitali di scrittura “a mano libera” (tablet, tavolette grafiche, display touch e/o interattivi, ecc.) il cui schermo possa essere condiviso attraverso Teams.

DATE DEGLI ESAMI

Si controllino le seguenti pagine web:

Si ricorda che è obbligatoria la prenotazione agli esami tramite la piattaforma Smart_Edu. Gli studenti non prenotati non potranno accedere agli esami.


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:

Durante la prova orale può essere richiesta la dimostrazione di teoremi e di risultati importanti inclusi nel programma con valutazioni numeriche dell'ordine di grandezza delle grandezze fisiche che sono coinvolte in un dato fenomeno.

Una raccolta di esercizi, molti dei quali assegnati durante le prove preliminari è disponibile nella pagina del corso sul portale Studium, nella sezione Documenti.




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