Il corso tratterà argomenti di base di Meccanica e di Elettromagnetismo: cinematica del punto materiale; meccanica del punto materiale; lavoro ed energia; sistemi di riferimento e moti relativi; meccanica dei sistemi; meccanica del corpo rigido; elettrostatica; conduttori e correnti elettriche; magnetismo; fenomeni elettromagnetici non stazionari ed onde elettromagnetiche.
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
ELEMENTI DI FISICA. Meccanica e Termodinamica (III ed.)
(EdiSES Università)
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
ELEMENTI DI FISICA. Elettromagnetismo e Onde (III ed.)
(EdiSES Università)
Appunti forniti dal docente.
Obiettivi Formativi
Il corso si propone di fornire gli strumenti e le conoscenze di base della Fisica necessarie per poter interpretare fenomeni fisici fondamentali e risolvere problemi nell’ambito della meccanica e dell’elettromagnetismo.
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere il significato delle grandezze fisiche e delle leggi fisiche fondamentali nei suddetti ambiti, e sarà in grado di applicare le conoscenze teoriche alla modellizzazione e risoluzione di problemi.
Le conoscenze e il metodo di lavoro acquisito permetteranno allo studente di poter proseguire negli insegnamenti più avanzati di Fisica e Ingegneria erogati in anni successivi del Corso di Studi.
Prerequisiti
Si richiede la padronanza di conoscenze matematiche di base (algebra e trigonometria) e dei risultati principali del calcolo differenziale (derivate, integrali, equazioni differenziali). Per questo è fortemente raccomandato che lo studente segua l’insegnamento di Analisi Matematica erogato dal CdS durante il primo semestre.
Non sono richieste conoscenze preliminari di Fisica.
Metodi Didattici
Il corso si svilupperà con lezioni frontali, in cui il docente illustrerà gli argomenti principalmente facendo uso di lavagna o tavoletta elettronica collegata a schermo. Durante le lezioni saranno mostrati anche slides e video dimostrativi, in cui verranno esemplificati i fenomeni fisici fondamentali discussi a lezione mediante la loro verifica sperimentale diretta.
Durante le lezioni saranno utilizzate anche applicazioni di sondaggistica in tempo reale (es. Wooclap) per stimolare gli studenti a dare un’interpretazione dei fenomeni proposti, in modalità interattiva e anonima.
Tutto il materiale del corso verrà messo a disposizione sulla piattaforma e-learning Moodle, dove verranno caricati: trascrizioni di quanto scritto su lavagna/tavoletta durante le lezioni, slides e video mostrati a complemento delle spiegazioni, prove di esame (con soluzioni) assegnate negli anni precedenti, collezioni di esercizi svolti.
Verrà fornito anche l’accesso a una collezione di lezioni video svolte negli anni precedenti che potranno essere utilizzate su base facoltativa come materiale integrativo.
Su base settimanale, verrà organizzato un ricevimento (preferibilmente in modalità telematica) durante il quale gli studenti avranno la possibilità di rivolgere domande dirette al docente sull’organizzazione e sul contenuto del corso, e richiedere chiarimenti sullo svolgimento di problemi.
Altre Informazioni
Modalità di verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento verrà effettuata attraverso una verifica scritta, il superamento della quale permetterà di accedere all’esame orale finale.
VERIFICA SCRITTA:
La verifica scritta verterà sulla risoluzione di problemi di fisica di meccanica e di elettromagnetismo, da affrontare applicando le leggi fisiche e i risultati discussi a lezione. Verranno valutati la correttezza e il rigore dello svolgimento e la capacità di ottenere ed esprimere in maniera corretta i risultati. Lo studente potrà superare la verifica scritta attraverso una delle due modalità messe a disposizione:
1) Prove parziali in itinere: durante il semestre di insegnamento verranno organizzate tre esercitazioni, in orario di lezione, che verteranno ciascuna su una parte limitata di programma. Una valutazione media conseguita sulle tre prove uguale o superiore a 16/30 permetterà l’ammissione all’esame orale (indipendentemente da eventuali valutazioni non sufficienti sulle singole prove).
2) Prova scritta completa di esame: in alternativa alle prove in itinere, nel corso dell’anno accademico verranno organizzate almeno 7 prove scritte, durante i periodi standard di esami, che verteranno sull’intero programma. Un voto uguale o superiore a 16/30 permetterà l’ammissione all’esame orale.
ESAME ORALE:
Durate l’esame orale verranno rivolte allo studente tre domande sugli argomenti del corso affrontati durante le lezioni. Le domande verteranno sull’illustrazione generale delle grandezze e delle leggi fisiche più importanti, sullo svolgimento di dimostrazioni dei risultati principali, sull’illustrazione di esempi notevoli discussi a lezione. L’esposizione avverrà di norma davanti a una lavagna e avrà una durata tipica di 25-30 minuti.
Il voto finale dell’esame orale si baserà sul voto della verifica scritta e sulla valutazione del colloquio.
Programma del corso
1) CINEMATICA DEL PUNTO MATERIALE
Moti rettilinei. Velocità media e velocità istantanea. Interpretazione geometrica della velocità in un grafico x(t) e dello spostamento in un grafico v(t). Moto rettilineo uniforme. Accelerazione media e accelerazione istantanea. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Caduta di un grave. Esempi di moti rettilinei uniformi, moti uniformemente accelerati, moti vari. Richiami su vettori e operazioni tra vettori: prodotto per uno scalare, somma e addizione di vettori, scomposizione di vettori in componenti. Prodotto scalare. Prodotto vettoriale. Moto in più dimensioni. Grandezze cinematiche vettoriali. Velocità e accelerazione in coordinate intrinseche. Moto parabolico. Moto circolare: definizioni generali e relazioni fra grandezze cinematiche angolari e lineari. Moto circolare uniforme e uniformemente accelerato.
2) DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE
Dinamica del punto materiale. Le tre leggi di Newton: formulazione ed esempi. Quantità di moto e impulso di una forza. Forza peso. Forze vincolari: vincoli piani e tensione di una fune. Equilibrio statico e dinamico. Piano inclinato. Forze di attrito radente: attrito statico e attrito dinamico. Piano inclinato con attrito. Forza di attrito viscoso. Effetto della resistenza dell'aria sulla caduta di un corpo. Forza elastica. Moto armonico semplice di un corpo attaccato a una molla. Moto armonico forzato e concetto di risonanza. Pendolo semplice. Esempi su funi e carrucole.
3) LAVORO ED ENERGIA
Definizione di lavoro di una forza. Esempi di lavoro motore, nullo e resistente. Potenza. Teorema dell'energia cinetica. Energia cinetica. Esempi di calcolo del lavoro (forza peso, forza elastica). Forze conservative. Energia potenziale della forza elastica e della forza peso. Energia meccanica. Teorema di conservazione dell'energia meccanica. Bilancio energetico in presenza di forze non conservative. Esempi di analisi energetica di moti: piano inclinato liscio, piano inclinato con attrito radente, massa attaccata a una molla, pendolo semplice, “giro della morte”. Relazione tra energia potenziale e forza. Analisi qualitativa dei moti dal punto di vista energetico.
4) SISTEMI DI RIFERIMENTO E MOTI RELATIVI
Sistemi di riferimento e moti relativi. Trasformazioni tra sistemi di riferimento. Legge di composizione di velocità e accelerazioni nei moti relativi. Sistemi di riferimento inerziali e non. Forze apparenti o inerziali. Esempi di trasformazioni tra sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Esempi su forza apparente di trascinamento. Forze apparenti in sistemi di riferimento in rotazione. Esempi di moti in sistemi di riferimento in rotazione: rotor di un luna park, sistema di riferimento terrestre.
5) MECCANICA DEI SISTEMI
Introduzione alla meccanica dei sistemi. Centro di massa. Prima equazione cardinale della meccanica con esempi. Principio di conservazione della quantità di moto. Momento angolare. Momento di una forza. Seconda equazione cardinale della meccanica. Principio di conservazione del momento angolare. Esempio: due masse in rotazione intorno al loro centro di massa. Coppie di forze. Teorema dell'energia cinetica e principio di conservazione dell'energia per i sistemi meccanici. Esempio: due masse si sganciano da una molla. Risultante e momento risultante della forza peso: baricentro. Sistema di riferimento del centro di massa. Teoremi di König per il momento angolare e l'energia cinetica. Urti: definizioni generali, urto elastico (1D), urto anelastico (1D).
6) MECCANICA DEL CORPO RIGIDO
Definizioni generali. Formula fondamentale della cinematica del corpo rigido. Traslazioni e rotazioni. Momento angolare di un corpo rigido in rotazione intorno ad un asse fisso. Momento di inerzia. Statica del corpo rigido. Esempi: altalena, leve, scala appoggiata al muro, equilibrio di un corpo appoggiato su piano orizzontale. Esempi di dinamica del corpo rigido: pendolo composto, macchina di Atwood con carrucola reale. Energia cinetica e lavoro delle forze interne in un corpo rigido. Esempio: macchina di Atwood (pt. 2). Moto di rotolamento e rotolamento puro di un corpo rigido. Esempio: ruota trascinata da forza costante su piano orizzontale, ruota che rotola su un piano inclinato. Teorema di Huygens-Steiner. Distribuzioni continue di massa. Esempio: calcolo del momento di inerzia di una distribuzione lineare di massa.
7) ELETTROSTATICA
Introduzione all'elettromagnetismo. Carica elettrica e struttura microscopica della materia. Elettrostatica. Forza di Coulomb. Campo elettrico. Linee di campo. Distribuzioni continue di carica. Esempi di calcolo di campo elettrico da distribuzioni discrete di carica e distribuzioni continue (filo rettilineo e anello uniformemente carico). Flusso di un campo vettoriale. Teorema di Gauss: enunciazione e significato. Esempi di applicazione del teorema di Gauss: filo rettilineo, sfera uniformemente carica, piano uniformemente carico. Energia potenziale e potenziale elettrostatico. Esempio: doppio piano uniformemente carico.
8) CONDUTTORI E CORRENTI ELETTRICHE
Conduttori e isolanti. Elettrostatica dei conduttori. Induzione elettrostatica. Schermaggio elettrostatico (gabbia di Faraday). Condensatori. Capacità del condensatore a facce piane e parallele, condensatore sferico, condensatore cilindrico. Condensatori e generatori: analisi energetica. Energia elettrostatica in un condensatore. Sistemi di condensatori in serie e in parallelo. Esempi di circuiti con condensatori. Correnti elettriche. Intensità di corrente e densità di corrente elettrica. Legge di Ohm. Interpretazione fisica della legge di Ohm. Seconda legge di Ohm. Effetto Joule. Forza elettromotrice. Leggi di Kirchoff. Esempio: analisi di un circuito mediante leggi di Kirchoff. Sistemi di resistori in serie e in parallelo. Circuito RC. Esempi di circuiti con generatori e resistori.
9) MAGNETISMO
Magnetismo. Cenni al magnetismo dei materiali. Forza di Lorentz e campo magnetico. Moto di una carica in campo magnetico uniforme. Seconda legge di Laplace. Esempio: forze agenti su una spira percorsa da corrente. Sorgenti di campo magnetico e prima legge di Laplace. Campo magnetico generato da una spira circolare e da un filo rettilineo percorsi da corrente (Biot-Savart). Linee di campo magnetico. Teorema di Ampere e sua verifica per un filo rettilineo percorso da corrente. Esempio: campo magnetico di un solenoide.
10) FENOMENI ELETTROMAGNETICI NON STAZIONARI E ONDE ELETTROMAGNETICHE
Equazioni di Maxwell per campi non dipendenti dal tempo. Induzione elettromagnetica. Legge di Faraday-Lenz. Esempi: binario conduttore con asta scorrevole in campo magnetico, alternatore e correnti alternate. Equazioni di Maxwell per campi dipendenti dal tempo. Introduzione alle onde elettromagnetiche. Equazione delle onde. Onde piane monocromatiche e grandezze fondamentali che le descrivono. Energia di un'onda elettromagnetica. Lo spettro elettromagnetico.