Corso di Fisica con esercitazioni
corso di laurea in
Biotecnologie Industriali - CTF (7 CFU – 60 ore)
Docente: Pier Carlo Ricci
Ricevimento: Mar, Gio, 13-14; oppure su appuntamento
(meglio una mail di conferma)
email: [email protected]
Dipartimento di Fisica (0706754821)
Cittadella Universitaria di Monserrato - Cagliari
http://people.unica.it/piercarloricci/
Orari Lezioni:
inizio ore 10:15
Orientativamente:
2 ore accademiche di teoria
• 1 ora accademica di esercitazioni (esercizi – sostegno)
• Le lezioni seguiranno il calendario previsto: Martedì e Giovedì
• Eventuali variazioni verranno comunicate tramite avvisi sulla
pagina del docente e sito Biotin
Programma
Vettori, Unità di misura,
Meccanica di un punto
materiale: Cinematica, Dinamica
Meccanica dei fluidi
Vibrazioni e onde
Elettricità
Magnetismo
Natura ondulatoria della luce
Ottica geometrica
Testi consigliati: Principi e applicazioni, D. C. Giancoli (GEA) Fisica. Principi di Fisica, Serway, EdiSES
Principi di Fisica, Borsa Lasciallfari EdiSES Fondamenti di Fisica, Walker, Zanichelli
Qualunque testo di Fisica generale di livello universitario
Obiettivi
Al termine del corso gli studenti dovrebbero aver acquisito la conoscenza dei principali
fenomeni fisici che sono prerequisiti di base per il proseguimento del corso di studi: concetto di
energia, meccanica dei fluidi, fenomeni elettrostatici ed elettromagnetici, fenomeni ondulatori.
Oltre alla conoscenza dei concetti esposti, dovranno essere in grado di applicarli a semplici
esercizi e ai fenomeni osservabili quotidianamente.
L'abilità comunicativa dei concetti esposti è un obiettivo secondario ma importante del corso
Prerequisiti
Indispensabili nozioni di matematica di base e geometria di base. Utile (ma non richiesto)
possedere già i concetti più elementari di fisica classica.
Pre-esami
Orientativamente 7 Novembre – 9 Novembre
19-21 Dicembre o nella prima settimana di gennaio
Solo per:
• iscritti al primo anno
• per studenti che seguono il corso non del I anno Firme
durante la lezione.
Superando (>17) entrambi i parziali si può ottenere direttamente
una valutazione definitiva valida per la sessione invernale
Iscrizioni: tramite sito web Esse3 università.
Esame «Standard» Più informazioni: http://people.unica.it/piercarloricci/didattica/insegnamenti/
Prova scritta
10 domande a risposta multipla (1 punto per
ciascuna risposta corretta)
2 esercizi più ampi da commentare (10 punti
ciascuno)
Prova orale
Conferma delle nozioni
-------------------------------------------------------------------------------- Prova in itinere
• 10 esercizi e quesiti a risposta multipla
• 2 esercizi con spiegazione teoria.
Nozioni di matematica utilizzate
Livello non avanzato
• Algebra elementare (manipolazione e operazioni con monomi e polinomi)
• Equazioni di primo e secondo grado
• Elementi di geometria analitica e trigonometria
• Nozioni elementari di analisi matematica:
Concetto di funzione e sua rappresentazione grafica,
Calcolo di semplici derivate e integrali
Nessun pre requisito di Fisica richiesto!
Sufficiente (da 18 a 20/30)
Il candidato dimostra poche nozioni acquisite, livello superficiale, molte lacune. capacità espressive modeste,
ma comunque sufficienti a sostenere un dialogo coerente; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo
degli argomenti di livello elementare; scarsa capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piuttosto
stentata; scarsa interazione con il docente durante il colloquio.
b) Discreto (da 21 a 23/30)
Il candidato dimostra discreta acquisizione di nozioni, ma scarso approfondimento, poche lacune;
capacità espressive piú che sufficienti a sostenere un dialogo coerente; accettabile padronanza del linguaggio
scientifico; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di moderata complessità; più
che sufficiente capacità di sintesi e capacità di espressione grafica accettabile.
c) Buono (da 24 a 26)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni piuttosto ampio, moderato approfondimento, con piccole lacune;
soddisfacenti capacità espressive e significativa padronanza del linguaggio scientifico; capacità dialogica
e spirito critico ben rilevabili; buona capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piú che accettabile.
d) Ottimo (da 27 a 29)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso, ben approfondito, con lacune marginali; notevoli
capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; notevole capacità dialogica, buona
competenza e rilevante attitudine alla sintesi logica; elevate capacità di sintesi e di espressione grafica.
e) Eccellente (30)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso e approfondito, eventuali lacune irrilevanti; elevate
capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; ottima capacità dialogica, spiccata
attitudine a effettuare collegamenti tra argomenti diversi; ottima capacità di sintesi e grande
dimestichezza con l’espressione grafica.
La lode si attribuisce a candidati nettamente sopra la media, e i cui eventuali limiti nozionistici, espressivi,
concettuali, logici risultino nel complesso del tutto irrilevanti.
Cosa Studia la Fisica?
Osservazione sperimentale
Modello Teoria 1
Fenomeni generale
Teoria
2
Metodo Fisico
Formulazione matematica delle leggi fisiche
amF
Tm
Q
m
Cc
a
II
l
F
2
210
MISURA DI
GRANDEZZE FISICHE
Errori delle misure:
• Errori Sistematici
• Avvengono sempre nello stesso senso
(direzione)
• Errori Casuali
• Incertezze sperimentali legate alla ripetizione
di una misura
La misura di una grandezza fisica è sempre affetta da errore
Errore: stima di quanto la grandezza misurata si discosta
dal valore “vero”
Grandezze fisiche
definizione quantitativa, caratterizzato da un numero ed una unità di misura.
Definizione operativa:
a) unità di misura
b) criterio di confronto
c) operazione di somma e differenza
MISURA = PROCEDURE e di CONVENZIONI che consentono di assegnare ad una
grandezza un valore ed una unità di misura.
Unità di misura = intensità di una grandezza fisica alla quale si rapporta l’intensità della stessa specie.
Procedure = Insieme di operazioni e di relazioni matematiche che correlano le grandezze fra loro.
Convenzioni = scelta del campione di misura.
Campione di misura = sistema fisico che realizza ‘unità di misura: Precisione, Invarianza Riproducibilità,
Accessibilità
Grandezze fisiche fondamentali
e unità di misura
Tutte le grandezze fisiche possono essere espresse in funzione di un insieme
limitato di grandezze fondamentali
Un sistema di unità di misura definisce le grandezze fisiche fondamentali
e i corrispondenti campioni unitari (unità di misura)
Sistema Internazionale (S.I.)
Grandezza fisica Unità di misura
Lunghezza [L] metro (m)
Tempo [t] secondo (s)
Massa [M] chilogrammo (kg)
Intensità di corrente [i] ampere (A)
Temperatura assoluta [T] grado Kelvin (K)
C.G.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T]
centimetro, grammo, secondo
M.K.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T]
metro, chilogrammo, secondo
MKS + Kelvin [K] (Temperatura)
&
Ampere [I] (Intensità di corrente) = S.I.
Grandezze fondamentali e derivate – Sistemi di unità di misura
Insieme prescelto di unità di misura Sistema di unità di misura
Ogni sistema distingue le grandezze in fondamentali e derivate.
• Le grandezze fondamentali sono grandezze indipendenti le cui
unità di misura sono scelte arbitrariamente dalle quali si
ottengono tutte le altre grandezze.
• Le grandezze derivate sono quelle definite da una relazione in
rapporto a grandezze fondamentali.
Grandezze fisiche derivate
Le rimanenti grandezze fisiche sono derivate a partire dalle
grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche
Alcuni esempi:
Superficie (lunghezza)2 [L]2 m2
Volume (lunghezza)3 [L]3 m3
Velocità (lunghezza/tempo) [L][t]-1 m·s-1
Accelerazione (velocità/tempo) [L][t]-2 m·s-2
Forza (massa*accelerazione) [M][L][t]-2 kg·m·s-2
Densità (massa/volume) [M][L]-3 kg·m-3
Pressione (forza/superficie) [M][L]-1[t]-2 kg·m-2·s-2
...........
Accessibilità ed invariabilità dei campioni
Il metro è la lunghezza percorsa dalla luce nel vuoto in un
intervallo di tempo 1/(299792458) s.
Un anno luce 9.5x1015 m
Raggio medio della Terra 6.4x106 m
campo di calcio 9.1x101 m
Mosca domestica 5.0x10-3 m
Diametro di un protone 1.0x10-15 m
Pt - Ir
1 m
Un secondo è pari a 9192631770 volte il periodo di
oscillazione della radiazione dell’atomo di Cs133
Età della Terra 1.3x1017 s
Un anno 3.2x107 s
Un giorno 8.6x104 s
T (=550 nm) 2x10-15 s
the scale of the universe
Il chilogrammo è la massa del campione di massa,
un cilindro di Pt-Ir
Terra 6x1024 kg
Uomo 7.5x101 kg
Atomo di H 1.67x10-27 kg
Pt - Ir
Analisi dimensionale e omogeneità delle equazioni
U = mgh [U] = [ML2T-2]
[mgh] = [MLT-2L]=[ML2T-2]
• Grandezze adimensionali: prive di dimensioni, espresse da un numero,
indipendenti dal sistema di misura (es. densità relativa)
• Grandezze scalari: modulo (es. il tempo, la massa,la temperatura): numero e una
unità di misura
• Grandezze vettoriali: modulo, direzione e verso (es. velocità, forza): tre numeri
ed una unità di misura
Verifica dimensionale
di un’equazione
v = spazio / tempo [v] = [LT-1] S.I: m/s
C.G.S.: cm/s
Conversione delle unità di misura
Es: un corpo percorre 5 m in 4 minuti, v = spazio / tempo = ?
S.I.: v = 5/240 = 0.021 m/s C.G.Sv = 500/240 = 2.1 cm/s
Analisi Dimensionale
Si definisce ordine di grandezza di un numero
la potenza di 10 che meglio lo approssima
the scale of the universe
Esempi:
massa della Terra = 5,98x1024kg → o.d.g. =
1025 kg
massa del protone = 1,67x10-27kg → o.d.g. =
10-27 kg
Multipli e sottomultipli
PREFISSO VALORE SIMBOLO PREFISSO VALORE SIMBOLO
DECA 10 da DECI 10-1 d
ETTO 102 h CENTI 10-2 c
KILO 103 k MILLI 10-3 m
MEGA 106 M MICRO 10-6
GIGA 109 G NANO 10-9 n
TERA 1012 T PICO 10-12 p
PETA 1015 P FEMTO 10-15 f
Esempi di grandezze fisiche caratteristiche raggio dell'universo 1026 m
raggio della galassia 1021 m
raggio del Sole 7 108 m
raggio della Terra 6,4 106 m
lunghezza d’onda della luce visibile 0.5106 m = 0.5μm
raggio di un atomo 1010 m = 100 pm = 1Å
raggio di un nucleo 1015 m=1 fm
età dell’universo 1017 s
un anno 3,1 107 s
periodo di oscillazione della nota “LA” 2,3 10-3 s = 2,3 ms
tempo di transizione tra livelli atomici 10-8 s = 10 ns
tempo di commutazione di un transistor 10-9s = 1 ns
periodo di oscillazione della luce visibile 10-14s = 10 fs
massa dell’universo 1053 kg
massa della galassia 8 1041 kg
massa del Sole 2 1030 kg
massa della Terra 6 1024 kg
massa del protone 1,67 10-27 kg
massa dell’elettrone 9,1 10-31 kg
Sapendo che il raggio della Terra è R=6 x103 Km
Calcolare:
• Il Volume in Km3 in m3
• La Superficie Km2 m2
Volume di una Sfera:
4/3 r3
4r2
Km3
Sistema di riferimento: cartesiano (x, y, z)
ad ogni punto P nello spazio si può associare una terna di numeri
un vettore si rappresenta mediante un segmento orientato
P
xp
yp
O
zp
Algebra vettoriale
Somma e differenza di vettori: a + b = c
modulo, direzione e verso
A punto di applicazione A
B v
a
b
c
a c
-b
metodo grafico: regola del parallelogramma
Il vettore opposto: b + (-b) = 0
b
-b
Proprietà della somma:
a + b = b + a (commutativa)
(a + b) + c = a + (b + c) (associativa)
a c
b
a = c - b
risultante
Scomposizione di un vettore
vx = v cos
vy = v sin
v = (vx2+vy
2)
v = vx+vy = vxi + vyj
i, j e k versori (vettori unitari)
a = b ax=bx; ay=by; az=bz
a = -b ax=-bx; ay=-by; az=-bz
c = a + b cx=ax+bx; cy=ay+by; cz=az+bz
O x
y
vx
vy
Prodotto di un vettore per uno scalare: b = k a a
b k = 4
Nel piano
Nello spazio
vx = vxi vy = vyj
scomposizione
Prodotto scalare tra 2 vettori: a x b = ab cos
proprietà. commutativa a x b = b x a
proprietà. distributiva (a + b) x c = (a x c) + (b x c)
Prodotto vettoriale tra 2 vettori: a b = c
modulo c =ab sen
direzione e verso: regola della mano destra
Non gode della proprietà commutativa
(a b) = - (b a);
se v a a x v = v x a = 0 da cui (a b) x a = (b a) x a = 0
a
b
c
Prodotto tra 2 vettori
a
b
Prodotto scalare
b
a
b'
a•b = |a||b|cos = |a|b'
b' = |b|cos : componente di b lungo a
= 0o a b = ab cos f = ab
b
a
= 90°
a b = ab cos = 0 b
a
= 180° a b = ab cos = – ab
a
b
Es.:
Prodotto vettoriale
a
b
c
b"
c = a b
Modulo di c :
|c| = |a||b|sen = |a|b”
b’’: componente di b ortogonale ad a
b” Direzione di c:
ortogonale ad a e b
Verso di c:
verso di avanzamento di una vite che ruota sovrapponendo a su b
a
b
b''
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