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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/
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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!
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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.
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Cosa Studia la Fisica?
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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
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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”
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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
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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)
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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.
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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
...........
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.:
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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''