Registro Lezioni - Fisica - Scienze Naturali - 2008/2009

Questo registro riporta l'elenco degli argomenti trattati a lezione e viene continuamente aggiornato. Sarà completo al termine del corso e ne sarà preparata una copia in formato pdf. In corrispondenza di alcune lezioni è possibile scaricare gli appunti utilizzati dal docente, i quali sono da ritenersi esclusivamente come linea guida per lo studio degli argomenti. Gli appunti allegati potrebbero contenere errori e imprecisioni, quindi di avvisano gli studenti di prestare molta attenzione e di non utilizzarli come libro di testo. Inoltre solo per alcuni argomenti sono disponibili gli appunti, in particolare per quelli che non sono trattati su tutti i testi adottati. Per gli altri argomenti non sono necessari appunti guida, ma basta la guida riportata in questo registro.

 

  • 10/02/2009

Introduzione del corso. 

Ripasso di alcuni strumenti matematici che saranno utili per lo studio della fisica: trigonometria e funzioni goniometriche, vettori e operazioni con i vettori (somma, sottrazione, prodotto scalare e prodotto vettoriale), derivata di una funzione. 

 

Ripasso dell’integrale di una funzione. Introduzione alla fisica, grandezze, unità di misura, analisi dimensionale delle relazioni matematiche fra grandezze. 

Introduzione alla cinematica: posizione e velocità scalari in un sistema a una dimensione, velocità media e velocità istantanea. Posizione e velocità vettoriali nel piano. Velocità come variazione della posizione nel tempo, quindi come derivata rispetto al tempo del raggio vettore. Vettore velocità tangente alla traiettoria. Moto uniforme su traiettorie qualsiasi come moto con modulo della velocità costante. Accelerazione come variazione del vettore velocità, quindi accelerazione anche nel moto uniforme. Scomposizione dell’accelerazione nelle componenti tangente e centripeta. 

 

  • 17/02/2009

Approfondimento degli argomenti di cinematica trattati nella precedente lezione. Definizione di posizione, velocità e accelerazioni vettoriali. Scomposizione delle grandezze cinematiche vettoriali nelle componenti cartesiane. Studio del moto rettilineo uniforme e moto rettilineo uniformemente accelerato. Nei moti unidimensionali trattati abbiamo mostrato il passaggio posizione à velocità à accelerazione per mezzo dell’operazione di derivazione e il passaggio inverso accelerazione à velocità à posizione per mezzo dell’operazione di integrazione, intesa come calcolo dell’area sotto la funzione considerata. Nei casi trattati l’area è stata calcolata con considerazioni geometriche e non con l’uso del calcolo integrale, quindi abbiamo generalizzato ai casi in cui è necessario il calcolo integrale.

Trattazione di un moto in due dimensioni in termini di vettori e scomposizione del moto nelle due componenti. Studio dei moti nelle due componenti e composizione del moto. Trattazione del moto parabolico ( uniforme in x e uniformemente accelerato in y).

 

  • 20/02/2009

Scomposizione dell’accelerazione nella componente tangente e centripeta. La componente tangente tiene conto della variazione del modulo della velocità, la componente centripeta tiene conto della variazione della direzione della velocità.

Studio del moto circolare uniforme con trattazione geometrica e con trattazione matematico rigorosa. Nella trattazione geometrica si è trattata l’approssimazione del seno di un angolo con l’angolo stesso quando questo risulta molto piccolo. Trattazione degli angoli in radianti e gradi. Scomposizione del moto circolare nelle due componenti sinusoidale e cosinusoidale in funzione del tempo. Cenni sui moti periodici, periodo di tempo e frequenza di rivoluzione.

 

  • 24/02/2009

Introduzione al concetto di forza e principio d’inerzia. Effetto dinamico ed effetto statico delle forze, legge di Hooke e definizione operativa di forza con l’effetto dinamico. Il secondo principio della dinamica e introduzione della massa inerziale. La forza peso e l’accelerazione di gravità. Moto di caduta libera di un corpo in aria e moto di caduta libera nel vuoto. Legge della gravitazione universale di Newton e sua approssimazione per la determinazione della seconda legge di Newton con l’accelerazione gravitazionale. Distinzione fra massa inerziale e massa gravitazionale. Uso della legge di gravitazione per la stima della densità della Terra e indicazione di un nucleo di metalli pesanti. Introduzione del terzo principio della dinamica.

 

Terzo principio della dinamica ed esempi. Definizione di quantità di moto ed esempi. Formulazione della seconda legge di Newton in termini della quantità di moto e definizione di impulso di una forza. Derivazione del principio di conservazione della quantità di moto in un sistema isolato dal secondo e terzo principio della dinamica ed esempi. Sistemi in equilibrio. Attrito statico e dinamico. Attrito sul piano inclinato e piano inclinato senza attrito. 

 

Definizione di equilibrio stabile, instabile e indifferente. Definizione di momento di una forza e corrispondenza con le rotazioni: variazione della velocità angolare in sistemi rotanti. Momento angolare (momento della quantità di moto) e corrispondenza con la rotazione corrispondente. Seconda equazione cardinale e conservazione del momento angolare in sistemi isolati. Esempio di moti rotazionali, esempio della velocità tangenziale della Terra sull’orbita ellittica attorno al Sole, esempio del pattinatore. Definizione di coppia di forze, sua indipendenza dal polo e sua dipendenza dal braccio. Applicazioni alle leve, definizione, classificazione in vantaggiose, svantaggiose e indifferenti, classificazioni in I, II e III genere ed esempio di leve nel corpo umano. Applicazioni a carrucole e paranchi. Cenni sul corpo rigido e sul suo moto: traslazione, rotazione e rototraslazione. Definizione del centro di massa di un corpo rigido.

 

  • 10/03/2009

Distinzione fra centro di massa e baricentro e loro coincidenza in un campo di forze parallele caratterizzate da accelerazione costante. Particolare esempio di baricentro come punto di vincolo per l’equilibrio rotazionale indifferente. Teorema del centro di massa e scomposizione della descrizione del moto del corpo rigido in moto di traslazione del CM e moto di rotazione con polo CM. Definizione di lavoro di una forza e calcolo del valore corrispondente. Teorema dell’energia cinetica: lavoro di una forza e corrispondente variazione di energia cinetica. Energia cinetica di un corpo e corrispondente possibilità di compiere lavoro.

 

Dimostrazione della validità generale del teorema dell’energia cinetica. Approfondimento sul lavoro compiuto dalla forza elastica di una molla: distinzione fra lavoro positivo e negativo. Studio di in corpo con data energia cinetica incidente su una molla comprimibile e relazione fra lavoro della forza elastica ed energia cinetica del corpo. Cenni sulla situazione analoga del lancio in alto di un corpo nel campo gravitazionale. Confronto delle precedenti situazioni con un corpo soggetto alla forza di attrito per una introduzione alle forze conservative e non conservative. Definizione di forza conservativa e di energia potenziale. Esempi con la forza elastica e gravitazionale. Trasformazione di energia potenziale in energia cinetica e viceversa. Conservazione dell’energia meccanica in sistemi di forze conservative e principio di conservazione dell’energia per sistemi meccanici conservativi. Esempio di non conservazione dell’energia meccanica in presenza di attrito e  cenni sulla corrispondente trasformazione dell’energia meccanica in energia termica (calore). Cenni sulla conservazione dell’energia totale e sulle diverse forme di energia. 

 

Riepilogo dei precedenti argomenti. Urti elastici, anelastici e completamente anelastici. Esempi di urti unidimensionali. Urti in due dimensioni. Moto di rotolamento come composizione di traslazione rotazione e corrispondente relazione. Energia cinetica di un corpo in moto rototraslazionale, energia cinetica rotazionale e momento d’inerzia.

 

Definizione di pressione di una forza, densità e peso specifico. Introduzione ai fluidi e distinzione microscopica e macroscopica fra solidi, liquidi e gas. 

Idrostatica. Studio delle forze e delle pressioni in un fluido in equilibrio e legge di Stevino. Principio dei vasi comunicanti con singolo fluido e con più fluidi immiscibili. Legge di Pascal e applicazioni (pressa idraulica). Spinta idrostatica, legge di Archimede e applicazione ai corpi galleggianti.

Idrodinamica. Viscosità. Definizione di liquido ideale incomprimibile e senza viscosità. Moto di un fluido in regime stazionario, costanza della portata ed equazione di continuità. Teorema di Bernoulli definizione di pressione idrodinamica, gravitazionale e cinetica.  

 

  • 28/04/2009 

Analisi fenomenologica di varie applicazioni in idrostatica e idrodinamica. Applicazioni biologiche e tecniche del teorema di Bernoulli: problemi all’apparato circolatorio come aneurisma e stenosi, bruciatore Bunsen e tubo di Venturi. Viscosità dei fluidi reali e moto laminare, gradiente di velocità nella direzione ortogonale al flusso, perdita di carico. Processo di sedimentazione. Analisi parallela della spinta idrostatica in un fluido in quiete nel campo gravitazionale e nel processo di centrifugazione. Regime laminare e regime vorticoso, cenni sul numero di Reynolds. Cenni sulla circolazione sanguigna e tecnica della misura della pressione arteriosa basata sulla transizione da moto laminare a moto vorticoso del sangue. Cenni sull’agitazione termica nella materia, corrispondenza con la temperatura e moti browniani nei liquidi. Processi di diffusione come conseguenza di un gradiente di concentrazione. Cenni sull’osmosi fra membrane permeabili e semipermeabili e pressione osmotica. Forze di coesione nei liquidi, raggio d’azione molecolare e forze di richiamo. Cenni sulla tensione superficiale dei liquidi e pressione di contrattilità nelle superfici curve. Relazione fra concavità della superficie e pressione di contrattilità e interpretazione dei fenomeni capillari.

 

Termodinamica. Alcune considerazioni sulla temperatura da un punto di vista macroscopico. Temperatura come indicazione del livello termico di un sistema. Principio zero della termodinamica. Definizione di gas perfetto. Variabili termodinamiche p, V e T. Rappresentazione delle trasformazioni termodinamiche nei piani pV, pT, VT. Trasformazioni termodinamiche isoterma, isobara e isocora. Legge di Boyle-Mariotte, I e II legge di Gay-Lussac. Equazione di stato dei gas perfetti dalle tre leggi precedenti. Teoria cinetica dei gas: determinazione dell’espressione della pressione in termini di variabili microscopiche e equazione di stato di stato. Corrispondenza fra la temperatura e l’energia cinetica media delle molecole. Definizione della temperatura in termini di grandezze microscopiche medie. Cenni sui gas reali e sull’equazione di van der Waals.

 

Termodinamica. Lavoro nel piano pV. Calore ocome energia termica e sua relazione con la variazione di temperatura: capacità termiche a volume e pressione costante e analisi qualitativa della loro differenza. Energia cinetica media come energia interna di un sistema, sua identificazione come funzione di stato e sua dipendenza con la temperatura. Primo principio della termodinamica. Relazione di Mayer. Cenni sulle trasformazioni reversibili e irreversibili. Trasformazioni cicliche e macchine termiche. Calore assorbito, calore ceduto, lavoro prodotto e rendimento di una macchina termica. Secondo principio della termodinamica: I enunciato (trasferimento spontaneo di energia da un corpo caldo a uno più freddo) e II enunciato (macchine termiche funzionanti con almeno due sorgenti di calore a temperature diverse). Dimostrazione del II enunciato dal primo enunciato applicato al modello di macchina termica. Cenni sulle macchine frigorifere. Cenni sul ciclo e sul teorema di Carnot. Cenni sull’entropia e sulla sua interpretazione microscopica.

 

Fenomeni elettrici.

Deduzione sperimentale/fenomenologica dell’esistenza di due tipi di carica elettrica. Origine microscopica della carica elettrica. Forza di Coulomb. Definizione di campo elettrostatico E. Lavoro della forza di Coulomb,  conservatività della forza elettrostatica, definizione di energia potenziale in un campo elettrostatico e di potenziale elettrico. Concetto di campo elettrico e linee di flusso. Introduzione del teorema di Gauss per il campo elettrostatico.

 

Fenomeni elettrici.

Enunciato del teorema di Gauss e semplici applicazioni. Conduttori in equilibrio elettrostatico e analisi con: teorema di Gauss, configurazione di minima energia potenziale e effetto di repulsione dovuto alla forza di Coulomb. Cenni sul dipolo elettrico e suo comportamento in un campo E omogeneo e variabile.

Definizione di capacità elettrica e introduzione del condensatore. Campo elettrico in un condensatore. Composizione dei condensatori in serie e parallelo.

Introduzione della corrente elettrica e considerazioni sulle velocità dei portatori di carica e velocità di propagazione del campo E in un conduttore.

Definizione di resistenza elettrica e legge di Ohm. Composizione di resistenze in serie e parallelo.

Cenni sui circuiti RC e CR. 

  

Fenomeni magnetici.

Fenomenologia della magnetite. Definizione di campo magnetico da dipolo magnetico. Origine microscopica del campo magnetico: cariche elettriche in movimento. Campo magnetico generato da un corrente elettrica ed esempio del filo infinito, della spira e del solenoide infinito. Interazione fra cariche elettriche in movimento e campo magnetico e Forza di Lorentz. Forza di Lorentz applicata ad un filo percorso da corrente immerso in un campo B. Forze di interazione fra due fili paralleli percorsi da corrente. Cenni sulle applicazioni pratiche della forza di Lorentz. Legge di Gauss per il campo magnetico.

 

Fenomeni magnetici.

Definizione di flusso di B attraverso una superficie. Fenomeni di induzione elettromagnetica. Legge di Faraday-Neumann-Lenz. Origine della fem indotta dalla forza di Lorentz nel caso di B=cost e geometria variabile. Origine della fem indotta dalla relazione fra E e B variabili nel tempo nel caso di B=variabile e geometria costante. Cenni sulla produzione di energia elettrica.

Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo e cenni sulle onde elettromagnetiche. Definizione di frequenza e lunghezza d’onda dell’onda elettromagnetica. Cenni sullo spettro delle onde elettromagnetiche.

 

  • 26/05/2009

Cenni di ottica.

Introduzione ai fenomeni ottici e distinzione fra il modello particellare della luce pensato da Newton, il reale modello particellare descritto con la meccanica quantistica e modello ondulatorio.

Ottica geometrica.

Fenomeni di riflessione, rifrazione, dispersione (come conseguenza della rifrazione) e diffusione (come conseguenza della riflessione). Angolo limite nella rifrazione. Indice di rifrazione e sua dipendenza dalla frequenza dell’onda elettromagnetica. Cenni su specchio piano, specchio sferico, diottro sferico e lenti e costruzione delle immagini con i raggi principali. L’ottica applicata all’occhio umano: sensori di luce, focalizzazione e problemi alla vista.

Ottica ondulatoria.

La luce come onda elettromagnetica, cenni sui fenomeni di interferenza e diffrazione.

 

Onde sonore.

Grandezze caratteristiche altezza, intensità e timbro. Effetto doppler e applicazioni delle onde sonore nella tecnologia e nella diagnostica medica.

Introduzione alla fisica moderna.

Quantizzazione dell’energia: modello atomico di Rutherford, di Bohr, effetto fotoelettrico.

Comportamento corpuscolare e ondulatorio della luce e delle particelle materiali. Cenni sulle formulazioni della meccanica quantistica di Schrodinger e di Heisenberg. Interpretazione coerente della dualità onda-corpuscolo fornita da Born. Cenni su principio di sovrapposizione, principio di indeterminazione e processi di misura in MQ.

Cenni sulle forze fondamentali della natura.

Cenni di relatività ristretta e generale.

Introduzione alle esperienze di laboratorio.

 

Esercitazioni di laboratorio di fisica.

Verifica del principio di indeterminazione posizione-impulso per fotoni da un fascio laser.

Misura del diametro di un capello con la tecnica della diffrazione.

Fenomeni di diffrazione e interferenza da doppia fenditura.

Ottica geometrica: riflessione, rifrazione e angolo limite.