Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione:
Nell’ambito di questo corso, lo studente consegue una comprensione e conoscenza delle leggi fondamentali della Meccanica classica del punto materiale, della Meccanica classica dei sistemi e della Termodinamica, con particolare riguardo alla cinematica, alle leggi di Newton ed ai principi di conservazione. Inoltre il corso fornisce allo studente la conoscenza degli aspetti salienti della Dinamica del corpo rigido, della Gravitazione universale, dei fenomeni oscillatori ed ondulatori e della Teoria della Relatività Speciale. Il metodo sperimentale fornisce la base per tale comprensione, fondandosi su dati sperimentali riproducibili e sull'utilizzo dei metodi della matematica. Le teorie fisiche più rilevanti sono apprese in termini di struttura logica e matematica, di evidenze sperimentali, di fenomeni fisici da esse descritte.
Conoscenze e comprensione applicate:
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di valutare analogie e differenze tra sistemi fisici, metodologie da applicare, approssimazioni e metodi matematici da utilizzare ed avrà acquisito la capacità di applicare conoscenza e comprensione mediante la soluzione di esercizi e problemi.
Capacità di apprendere:
Nell’ambito di questo corso vengono fornite allo studente le basi concettuali per la costruzione dell'edificio teorico della formulazione Newtoniana della Meccanica, propedeutica a formalizzazioni che verranno affrontate in corsi successivi. Oltre agli strumenti metodologici, l’insegnamento di Fisica 1 fornisce allo studente il linguaggio di base della Fisica, permettendogli di leggere e comprendere testi di base ed avanzati sull'argomento.
Capacità di comunicare:
Lo studente acquisisce il linguaggio tecnico-specialistico corretto che gli permette sia di dialogare con gli specialisti che di tradurre correttamente concetti anche complessi in un linguaggio comprensibile.
Autonomia di giudizio:
Lo studente viene sollecitato ad elaborare collegamenti non solo fra tra le diverse parti del corso ma anche con concetti di base acquisiti in altri insegnamenti (ad esempio di analisi matematica, di geometria e di chimica) per sviluppare una capacità di giudizio autonoma basata su una conoscenza allargata ai vari aspetti della problematica in esame.
Prerequisiti
• Algebra, trigonometria e geometria a livello di scuola media superiore
• Fondamenti del calcolo differenziale ed integrale
• Principi di geometria analitica e di analisi vettoriale elementare
Contenuti dell'insegnamento
I parte
1. Introduzione e richiami di calcolo vettoriale
2. Cinematica del punto materiale: moti in 1 dimensione
3. Dinamica del punto: forza e leggi di Newton
4. Cinematica del punto: moti in 2 e 3 dimensioni
5. Applicazioni delle leggi di Newton
6. Moti relativi
7. Lavoro ed energia meccanica
II parte
8. Dinamica dei sistemi di punti materiali I
9. Dinamica del corpo rigido I
10. Dinamica del corpo rigido II: statica e moti di rotolamento
11. Dinamica dei sistemi di punti materiali II: momento angolare
12. Conservazione dell'energia
13. Fenomeni di urto
III parte
14. Gravitazione: fenomenologia e legge di Newton
15. Statica e dinamica dei fluidi ideali
16. Fenomeni oscillatori
17. Fenomeni ondulatori
18. Termologia - Gas ideali e reali
19. Calore e Primo Principio della termodinamica
20. Secondo Principio della termodinamica ed entropia
IV parte (solo studenti Laurea in Fisica)
21. Complementi di dinamica dei sistemi e del corpo rigido
22. Complementi di Gravitazione
23. Proprietà elastiche dei solidi
24. Proprietà dei fluidi reali
25. Onde meccaniche
26. Complementi di gas e termodinamica
27. Teoria della Relatività Speciale
Programma esteso
I parte [3 CFU]
1. Introduzione e richiami di calcolo vettoriale
Meccanica e Termodinamica classica. Fisica e misura, grandezze fisiche, campioni. Richiami di calcolo vettoriale: proprietà generali delle grandezze vettoriali; versori; scomposizione; prodotto scalare e prodotto vettoriale; rappresentazione cartesiana; derivata di vettori e versori.
2. Cinematica del punto: moto in una dimensione
Schema del punto materiale. Posizione, traiettoria, spostamento, velocità, accelerazione; moto uniforme e moto uniformemente accelerato; corpi in caduta libera. Moto oscillatorio armonico.
3. Dinamica del punto: forza e leggi di Newton
Interazioni, concetto di forza; leggi di Newton; sistemi di riferimento inerziali; massa e peso; quantità di moto e sua conservazione, forma generale della seconda legge di Newton.
4. Moto in due e tre dimensioni
Vettori posizione, spostamento, velocità, accelerazione; rappresentazione cartesiana. Rappresentazione intrinseca di traiettoria, velocità e accelerazione. Moto uniforme e uniformemente accelerato; moti piani: moto del proiettile; moti circolari, moto circolare uniforme, accelerazione centripeta; grandezze angolari.
5. Applicazioni delle leggi di Newton
Forze di contatto: tensione, forza normale; forza di attrito radente, statico e dinamico; attrito viscoso; forza elastica e legge di Hooke. Dinamica del moto circolare uniforme: forza centripeta. Pendolo semplice e pendolo conico.
6. Moti relativi
Sistemi inerziali e relatività galileiana. Sistemi di riferimento non inerziali, forze apparenti. Forza di Coriolis. Il sistema di riferimento terrestre. Sistemi in moto roto-traslatorio (cenni).
7. Lavoro ed energia meccanica
Lavoro di una forza costante e di una forza variabile; teorema dell’energia cinetica per un punto materiale. Potenza. Forze conservative e non conservative; energia potenziale: elastica, gravitazionale; energia meccanica totale e sua conservazione in sistemi isolati conservativi.
II parte [3 CFU]
8. Dinamica dei sistemi di punti materiali I
Moto di un sistema di punti materiali; centro di massa e suo moto; II legge Newton per un sistema di punti materiali; conservazione della quantità di moto; sistema di riferimento del centro di massa. Teorema dell’energia cinetica. Teorema di Koenig per l’energia cinetica; energia cinetica e sistemi di riferimento.
9. Dinamica del corpo rigido I
Schema del corpo rigido, densità, centro di massa; traslazione, rotazione e roto-traslazione; momento di una forza; momento di inerzia; II legge Newton per moti rotatori; teorema di Huygens-Steiner.
10. Dinamica del corpo rigido II: statica e moti roto-traslatori
Equilibrio statico del corpo rigido; baricentro. Moto di puro rotolamento. Lavoro ed energia cinetica nel moto rotatorio e roto-traslatorio.
11. Dinamica dei sistemi di punti materiali II: momento angolare
Momento angolare di una particella, di un sistema di particelle e di un corpo rigido; teorema del momento angolare; simmetria dei corpi; conservazione del momento angolare. Momento angolare e sistemi di riferimento; teorema di Koenig per il momento angolare.
12. Conservazione dell'energia
Generalizzazione del principio di conservazione dell’energia meccanica, lavoro delle forze esterne; energia interna di un sistema di punti materiali; conservazione dell'energia in un sistema di punti materiali; energia associata al centro di massa.
13. Fenomeni di urto
Definizione di urto, forze impulsive; impulso e teorema dell'impulso; urti e principi di conservazione; urti elastici monodimensionali; urti anelatici; urti tra particelle e corpi estesi. Impulso angolare, momento dell'impulso.
III parte [3 CFU]
14. Gravitazione: fenomenologia e legge di Newton
Moto dei pianeti e dei satelliti: leggi di Keplero; legge della gravitazione universale di Newton; misura della costante G; massa inerziale e gravitazionale; gravitazione vicino alla superficie terrestre. Distribuzione sferica di massa: teoremi dei gusci. Energia potenziale gravitazionale, velocità di fuga: moto dei satelliti artificiali. Forze centrali.
15. Statica e dinamica dei fluidi
Equilibrio statico di un fluido; leggi di Stevino e Pascal; pressione atmosferica: equazione barometrica; principio di Archimede e galleggiamento. Moto di un fluido ideale, linea e tubo di flusso; equazione di continuità, teorema di Bernoulli.
16. Fenomeni oscillatori
Sistemi oscillanti monodimensionali; moto armonico semplice; energia nel moto armonico semplice; relazione con il moto circolare uniforme; applicazioni: pendolo di torsione, pendolo fisico; oscillazioni libere smorzate; oscillazioni forzate e risonanza.
17. Fenomeni ondulatori
Onda e funzione d'onda; fase e velocità di fase; onde armoniche; equazione di D'Alembert e sue soluzioni; principio di sovrapposizione; interferenza di onde armoniche; onda stazionaria; battimenti.
18. Termologia e gas
Sistema termodinamico; coordinate termodinamiche; equazioni di stato; trasformazioni termodinamiche. Principio zero della termodinamica, equilibrio termico. Temperatura; scale e metodi di misura della temperatura. Dilatazione termica dei solidi. Proprietà macroscopiche dei gas. Scala Kelvin. Equazione di stato dei gas perfetti. Termometro a gas a volume costante. Interpretazione cinetica della pressione e della temperatura dei gas perfetti.
19. Calore e Primo Principio della termodinamica
Esperimenti di Joule; equivalente meccanico del calore. Processi reversibili e irreversibili. Calore specifico, molare, latente. Transizioni di fase. Calorimetria. Propagazione del calore. Lavoro nei processi termodinamici. Primo principio della termodinamica. Esempi: trasformazioni e cicli termodinamici. Energia interna di un gas perfetto. Capacità termiche dei gas perfetti. Gradi di libertà delle molecole e principio di equipartizione dell’energia. Relazione di Mayer. Processo isotermo, isobaro, isocoro e adiabatico di un gas perfetto.
20. Secondo Principio della termodinamica ed Entropia
Macchine termiche dirette e inverse. Rendimento. Enunciati del II principio di Kelvin-Planck e Clausius. Ciclo di Carnot reversibile. Rendimento del ciclo di Carnot. Teorema di Carnot. Teorema di Clausius. Entropia. Principio di aumento dell’entropia: entropia e II principio.
IV parte (solo per studenti CdS in Fisica) [3 CFU]
21. Complementi di dinamica dei sistemi e del corpo rigido
Sistema di 2 corpi: velocità e accelerazione relative, quantità di moto ed energia meccanica; equazione del moto. Sistemi a massa variabile (cenni). Cenni ai moti precessionali: giroscopi, trottola; nutazione.
22. Complementi di Gravitazione
Orbite e leggi di Keplero; energia e orbite. Campo gravitazionale; potenziale gravitazionale; cenni al teorema di Gauss e sua applicazione al problema della distribuzione sferica di massa.
23. Proprietà elastiche dei solidi
Compressione e trazione, legge di Hooke generalizzata; legge di Poisson, variazione di volume; deformazione di scorrimento; torsione; bilancia di torsione; compressione uniforme, pressione.
24. Proprietà dei fluidi reali
Cenni ai fenomeni di superficie: tensione superficiale; legge di Laplace; fenomeni di capillarità; legge di Jurin. Cenni alla dinamica dei fluidi reali: flusso laminare, viscosità; legge di Hagen-Poiseuille; flusso turbolento, numero di Reynolds; moto di un corpo immerso in un fluido, portanza.
25. Fenomeni ondulatori: onde meccaniche
Propagazione di un’onda trasversale su una corda tesa; onde stazionarie in una corda tesa, serie armonica. Propagazione di un’onda longitudinale di compressione in un gas; velocità del suono; intensità dell’onda sonora; onde stazionarie longitudinali.
26. Complementi di gas e termodinamica
Teoria cinetica dei gas: libero cammino medio e distribuzione delle velocità molecolari. Scala assoluta della temperatura. Esempi di calcolo della variazione di entropia nei processi reversibili e irreversibili. Cenni all’interpretazione statistica dell’entropia.
27. Teoria della Relatività Speciale
Difficoltà della fisica classica: tempo, lunghezza, velocità, energia, luce; postulati della relatività ristretta; conseguenze dei postulati: relatività del tempo e della lunghezza; somma relativistica delle velocità. Trasformazioni di Lorentz; misura delle coordinate spazio-temporali di un evento; trasformazione delle velocità; relatività della simultaneità. Quantità di moto relativistica; energia relativistica e massa; conservazione dell’energia.
Bibliografia
Fisica Generale. Meccanica – Termodinamica
P. Zotto, S. Lo Russo, P. Sartori
I edizione
Edizioni La Dotta, Casalecchio di Reno (Bologna), 2016
ISBN 978-88-98648-37-5
Fisica Generale: Meccanica e Termodinamica
S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni e M. Villa
II edizione
Casa Editrice Ambrosiana (CEA), Milano, 2014
ISBN 978-8808-18215-9
Elementi di Fisica – Meccanica - Termodinamica
P. Mazzoldi, M. Nigro e C. Voci
II edizione
Edizioni Scientifiche ed Universitarie (EdiSES), Napoli, 2008
ISBN: 9788879594189
FISICA 1
Meccanica - Acustica - Termodinamica
R. Resnick, D. Halliday, K. S. Krane
V edizione
Casa Editrice Ambrosiana (CEA), Milano, 2003
ISBN 978-8808-08611-2
Nota riguardo ai testi:
I testi sono ovviamente in alternativa, benché in parte complementari. La scelta deve essere fatta dallo studente in base a preferenze personali ed alla preparazione precedente: il Resnick è meno formale e più "didattico", con molti esercizi ed esempi; il Focardi e lo Zotto sono più rigorosi e formali, con alcuni esempi e pochi o nessun esercizio; il Mazzoldi, pur presentando esempi ed esercizi, è un testo un po' più "sintetico" e rispetta comunque un certo rigore formale.
Metodi didattici
Lezione frontale con ausilio di strumenti audio-visivi multimediali. Le slides delle lezioni saranno rese disponibili sulle pagine web del corso all’indirizzo elly.difest.unipr.it.
Una parte del corso sarà dedicata ad esercitazioni in aula. Dopo aver sviluppato la teoria relativa, gli studenti risolveranno con la guida del docente esercizi e problemi in modo da chiarire ed approfondire gli argomenti di teoria svolti. Una selezione di esercizi e problemi per ogni argomento verrà resa disponibile sulle pagine web del corso all’indirizzo elly.difest.unipr.it.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione avverrà mediante lo svolgimento di prove scritte intermedie ed un esame finale costituito da una prova orale, preceduta da una eventuale prova scritta d’esame. Agli studenti che avranno superato positivamente le 4 prove scritte intermedie (valutazione media sulle 4 prove uguale o superiore a 18/30) verrà assegnato un voto di accesso alla prova orale; tali studenti saranno quindi esonerati dallo svolgimento della prova scritta d’esame. Per poter sostenere la prova orale, che avrà lo scopo di definire il voto finale, gli studenti dovranno iscriversi ad uno degli appelli d’esame (solo alla prova orale, sulla piattaforma web ESSE3). L’esonero dalla prova scritta d’esame ed il voto assegnato di accesso alla prova orale manterrà la sua validità per tutti gli appelli d’esame dell’anno accademico 2016/17 (da giugno 2017 a febbraio 2018).
Nel caso in cui uno studente non riesca a partecipare ad una delle 4 prove scritte intermedie ma risulti comunque avere una valutazione media sufficiente sulle altre 3 prove, sarà esonerato dallo svolgimento della prova scritta d’esame ma in occasione della prova orale d’esame dovrà integrare la parte del programma (teoria ed esercizi) corrispondente alla prova scritta intermedia non svolta.
Per gli studenti che non dovessero raggiungere una valutazione di accesso al colloquio orale complessivamente sufficiente e per coloro che non avessero svolto le prove scritte intermedie si renderà necessario lo svolgimento dell’esame finale costituito da una prova scritta d’esame ed una prova orale. In tal caso saranno considerati ammessi alla prova orale gli studenti che raggiungeranno nella prova scritta d’esame una valutazione uguale o superiore a 18/30.
Le 4 prove scritte intermedie saranno strutturate in modo da richiedere la soluzione di alcuni esercizi e problemi relativi a specifici argomenti del corso e la risposta ad alcuni quesiti sugli aspetti teorici degli stessi argomenti. Le prove scritte d’esame avranno una analoga struttura, ma problemi e quesiti potranno riguardare tutti gli argomenti del programma del corso. La prova orale consisterà nella discussione delle prove scritte svolte (intermedie o d’esame) e nell’approfondimento di aspetti teorici riguardanti argomenti del programma.
Altre informazioni
Orario di ricevimento: mercoledì ore 10.30-11.30 oppure su appuntamento
