27996 - FISICA GENERALE T-1

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Dare allo studente le basi essenziali per la comprensione dei metodi e delle finalità della fisica illustrando i principi generali e i concetti della meccanica classica ed i principi della termodinamica.

Contenuti

Modulo 1

Vettori - trattazione geometrica (7 ore) Grandezze Fisiche. Segmenti. Segmenti orientati. Corrispondenza tra punti dello spazio ordinario e segmenti orientati. Segmenti orientati equipollenti. Vettori posizionali. Vettori generici. Vettori liberi e vettori applicati. Vettori polari e vettori assiali. Modulo, direzione e verso. Uguaglianza di vettori. Vettore opposto e vettore nullo. Somma di vettori e sue proprietà. Differenza di vettori. Disuguaglianza triangolare. Moltiplicazione scalare di un vettore e sue proprietà. Prodotto scalare tra due vettori e sue proprietà. Quadrato e modulo di un vettore. Versori. Componente e vettore componente di un vettore rispetto a una direzione orientata. Modulo della somma e della differenza di due vettori. Prodotto vettoriale di due vettori e sue proprietà. Regola della mano destra. Doppio prodotto misto di tre vettori.

Rappresentazioni dei Vettori (8 ore). Terna ortogonale di riferimento. Sistemi di coordinate. Coordinate cartesiane, cilindriche, sferiche e intrinseche. Basi di versori. Base cartesiana, cilindrica, sferica e intrinseca. Relazioni di ortonormalità tra i versori di una base. Parametrizzazione di una curva. Parametrizzazione in lunghezza d'arco. Versore tangente. Piano osculatore e circonferenza osculatrice. Versore normale. Versore binormale. Curvatura e torsione. Rappresentazioni dei vettori. Rappresentazione cartesiana, cilindrica, sferica e intrinseca. Rappresentazione dei vettori posizionali. Vettori e rappresentazioni di vettori. Trasformazioni attive e passive. Operazioni tra vettori nella base cartesiana.

Elementi di Analisi Vettoriale (4 ore). Vettori dipendenti da un parametro e funzioni vettoriali di una variabile. Vettori dipendenti dal punto di applicazione e campi vettoriali. Derivata e primitiva di una funzione vettoriale di una variabile. Derivate dei versori della base rispetto alle coordinate: base cartesiana e cilindrica. Derivate dei versori della base rispetto alle coordinate: base intrinseca. Formule di Frenet-Serret. Il vettore spostamento elementare nelle basi cartesiana, cilindrica, sferica e intrinseca. Aree e volumi elementari nelle basi cartesiana, cilindrica e sferica. Operatori differenziali. Il simbolo nabla. Gradiente di un campo scalare. Divergenza e rotore di un campo vettoriale.

Cinematica del Punto Materiale (9 ore). Punto materiale, sistemi di punti materiali e corpi rigidi. Sistema di riferimento e terna ortogonale di riferimento. Principio di relatività. Il tempo e la sua misura. Giorno solare e giorno sidereo. Breve storia dell'unità di tempo. La lunghezza e la sua misura. Breve storia dell'unità di lunghezza. La legge vettoriale del moto nella base cartesiana, cilindrica, sferica e intrinseca. Velocità vettoriale media e istantanea. Velocità vettoriale istantanea nella base cartesiana, cilindrica e intrinseca. Velocità intrinseca media e istantanea. Limitazioni del concetto di velocità. Accelerazione vettoriale media e istantanea. Accelerazione istantanea nella base cartesiana, cilindrica e intrinseca. Discussione dell'espressione intrinseca dell'accelerazione. Modulo dell'accelerazione. Velocità angolare orbitale istantanea. Espressione vettoriale della velocità angolare orbitale istantanea. Espressione della velocità angolare orbitale istantanea nella base cilindrica. Velocità areolare istantanea. Espressione vettoriale della velocità areolare istantanea. Espressione della velocità areolare istantanea nella base cilindrica.

Moti relativi (2 ore). Cambiamento di sistema di riferimento. Traslazione e rotazione. Trasformazione del vettore posizionale. Vettori costanti in un sistema di riferimento. Trasformazione della derivata temporale di un vettore. Velocità angolare. Formule di Poisson. Regola di derivazione di Poisson. Trasformazione della velocità. Velocità di trascinamento. Trasformazione dell'accelerazione. Accelerazione di trascinamento e accelerazione complementare (o accelerazione di Coriolis).

Cinematica del Corpo Rigido (2 ore). Vincoli e gradi di libertà. Vincoli di rigidità. Corpo rigido. Formula fondamentale della cinematica dl corpo rigido. Moto di un corpo rigido. Moto traslatorio, rotatorio e roto-traslatorio.

Vettori applicati (2 ore). Momento polare e assiale di un vettore applicato. Risultante, momento risultante e momento assiale risultante. Insiemi equivalenti di vettori applicati. Centro dei vettori paralleli. Coppia di vettori applicati. Coppia di vettori applicati di braccio nullo. Coppie di vettori equivalenti. Composizione delle coppie di vettori. Riduzione di un sistema di vettori applicati a un vettore e una coppia.

Statica (4 ore). Forza. Dinamometro. Natura vettoriale della forza. Unità di misura della forza. Forza peso. Centro di gravità o baricentro. Forza elastica. Legge di Hooke. Forze interne e forze esterne. Equilibrio di un sistema di forze. Equazioni cardinali della statica. Calibrazione di un dinamometro. Forze vincolari. Carico di rottura. Forze di attrito. Attrito radente statico e dinamico. Soglia di Primo Distacco. Attrito volvente.

Dinamica del punto materiale (5 ore). La dinamica e i suoi princìpi. I sistemi di riferimento. Il punto materiale non soggetto a forze. I sistemi di riferimento inerziali e non-inerziali. Il primo principio della dinamica. SdR approssimativamente inerziali. L'origine fisica dell'inerzialità. Principio di Mach e principio di equivalenza forte. Sistemi di riferimento in caduta libera. Nota storica sul primo principio. Il moto nella fisica pre-galileiana. Formulazione classica del primo principio e suoi limiti. Il secondo principio della dinamica. Misura dinamica della forza. Breve storia dell'unità di misura della massa. Unità di misura della forza. Densità. Dimensioni e unità di misura. Massa e peso. Quantità di moto e impulso. Leggi di Keplero. Legge di gravitazione universale: direzione, dipendenza dalla distanza e dalla massa, universalità. Forze centrali. Esperimento di Cavendish. Massa inerziale e massa gravitazionale. Forze dipendenti da posizione, velocità e tempo. Dipendenza implicita ed esplicita dal tempo. Problema fondamentale della dinamica del punto materiale.

Esercizi Notevoli di Dinamica del Punto Materiale (4 ore). Moto rettilineo uniformemente accelerato. Caduta libera di un grave nel vuoto. Moto di un proiettile nel vuoto. Gittata e punto di inversione. Moto di un corpo in un fluido viscoso. Moto di un corpo soggetto a resistenza viscosa. Caduta di una sfera nel campo gravitazionale con resistenza viscosa. Velocità limite. Moto di una sfera soggetta soltanto a resistenza idraulica. Caduta di una sfera nel campo gravitazionale con resistenza idraulica. Moto di una sfera lanciata verso l'alto in presenza del campo gravitazionale e della resistenza idraulica. L'oscillatore armonico. Moto oscillatorio: periodo, pulsazione e frequenza. Pendolo semplice: soluzione dell'equazione del moto per piccole oscillazioni. Oscillatore smorzato: moto oscillatorio smorzato, moto aperiodico smorzato e criticamente smorzato. Oscillatore forzato. Stato transitorio e stato stazionario. Risonanza.

Pseudo-Forze (3 ore). Moto in un SdR non inerziale. Accelerazione di un punto materiale non soggetto a forze. Pseudo-forze. Esempi di pseudo-forze. Cambiamento del SdR. SdR in moto traslatorio rettilineo e uniforme. SdR in moto accelerato. Pseudo-forza di trascinamento e pseudo-forza complementare (o pseudo-forza di Coriolis). Pseudo-forza centrifuga e pseudo-forza di Eulero. Riconoscere le pseudo-forze. Esempi. Effetti delle pseudo-forze sui moti terrestri. Dipendenza di g dalla latitudine. Deviazione verso oriente dei gravi in caduta libera. Deviazione dei moti sulla superficie terrestre. Pendolo di Foucault. Dipendenza della velocità di rotazione del piano di oscillazione del pendolo dalla latitudine.

Terzo Principio della Dinamica (3 ore). Principio di azione e reazione. Risultante e momento risultante delle forze interne. Sistemi isolati. Momento angolare. Equazioni cardinali della dinamica. Conservazione della quantità di moto e del momento angolare. Centro di massa. Centro di gravità e centro di massa. Proprietà del centro di massa. Teorema del moto del centro di massa. Conseguenze delle equazioni cardinali della dinamica sui moti planetari. Momento angolare dei sistemi rigidi: corpo che ruota attorno a un asse fisso. Momento angolare dei sistemi rigidi: corpo che rototrasla mantenendo l'asse di rotazione parallelo a se stesso. Momento di inerzia. Momento di inerzia di corpi omogenei. Teorema di Huygens-Steiner. Dinamica dei sistemi rigidi.

Lavoro ed energia (4 ore). Lavoro elementare e lavoro in uno spostamento finito. Esempi. Energia cinetica. Teorema delle forze vive. Teorema di König per un sistema di punti materiali e per un corpo rigido. L'operatore rotore. Significato fisico del rotore. Teorema di Stokes. Proprietà del rotore. Forze posizionali. Campi di forza. Forze conservative. Proprietà delle forze conservative. Potenziale. Energia potenziale ed energia meccanica. Conservazione dell'energia meccanica. Urti. Forze d'urto. Urti elastici e anelastici. Conservazione della quantità di moto, del momento angolare e dell'energia meccanica nei processi d’urto.

Esercizi di Riepilogo di Meccanica (3 ore).

Modulo 2

Sistemi Termodinamici e Moti Molecolari (10 ore). Estensione del principio di conservazione dell'energia alle forze dissipative: energia interna. Teorie cinetico-molecolari. Relazione tra grandezze meccaniche microscopiche e grandezze termodinamiche macroscopiche. Reversibilità meccanica microscopica e irreversibilità termodinamica macroscopica. Espansione libera e compressione spontanea: tempo di Poincaré. Grandezze intensive ed estensive. Equilibrio termodinamico. Pareti adiabatiche e diatermiche. Contatto termico. Equilibrio termico tra due sistemi termodinamici. Termometri: sostanza termometrica, proprietà termometrica e funzione termometrica. Principio zero della termodinamica. Taratura dei termometri. Punti fissi: punto di fusione normale, punto di ebollizione normale e punto triplo. Il termometro a gas perfetto. Unità di misura della temperatura. Scala di temperatura internazionale. Trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni quasi-statiche. Diagramma di Clapeyron. Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche di un gas. Trasformazioni isoterme quasi-statiche di un gas. Riscaldamento e raffreddamento isocoro quasi statico di un gas. Equazione di stato dei gas perfetti. Mole e numero di Avogadro. Massa atomica e massa molecolare: l'unità di massa atomica. Trasformazioni isoterme di fluidi reali. Temperatura critica. Pressione di vapor saturo. Cambiamenti di stato di aggregazione. Equazione di stato di Van der Waals: covolume molare e costante della pressione interna. Ebollizione.

Primo Principio della Termodinamica (10 ore). Energia cinetica media delle molecole. Il lavoro nelle trasformazioni quasi-statiche di un fluido. Lavoro adiabatico. Energia interna. Quantità di calore. Primo principio della termodinamica. Capacità termica, calore molare e calore specifico. Calori latenti. Gas perfetti. Entalpia e lavoro tecnico. Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche dei gas perfetti.

Secondo Principio della Termodinamica (10 ore). Trasformazioni reversibili e irreversibili. Macchine termiche. Rendimento di una macchina termica. Macchina di Carnot. Macchine frigorifere. Secondo principio della termodinamica: enunciati di Kelvin-Planck e di Clausius e loro equivalenza. Impossibilità del moto perpetuo di prima e di seconda specie. Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Teorema di Clausius. Entropia. Legge dell'accrescimento dell'entropia. Esempi di calcolo della variazione di entropia in trasformazioni reversibili e irreversibili. Equazione dell'energia interna ed equazione dell'entalpia. Potenziali termodinamici di Helmholtz e di Gibbs e loro proprietà.

Testi/Bibliografia

  • Copia delle diapositive proposte a lezione, disponibili su World Wide Web presso il sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ .
  • Quesiti ed esercizi per la verifica dell'apprendimento, disponibili su World Wide Web presso presso il sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ .
  • Libri di testo base: (in alternativa):
    • Bertin, Poli, Vitale, Fondamenti di Meccanica, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna, ISBN-10: 8886524048, ISBN-13: 978-8886524049 + Bertin, Poli, Vitale, Fondamenti di Termodinamica, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna, ISBN-10: 8886524153, ISBN-13: 978-8886524155.
    • Mencuccini, Silvestrini, Fisica. Meccanica e termodinamica, Casa Editrice Ambrosiana, ISBN-10: 8808186490, ISBN-13: 978-8808186492.
    • Focardi, Massa, Uguzzoni, Villa, Fisica Generale, Meccanica e Termodinamica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, ISBN-10: 8808182150, ISBN-13: 978-8808182159.
    • P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, "Fisica Volume I, Meccanica-Termodinamica", Edizioni EdiSES.
  • Libri di approfondimento:
    • Feynmann, La fisica di Feynmann, volume 1 - Meccanica, radiazione, calore, Zanichelli, Bologna, ISBN: 9788808478153.
  • Libri di esercizi:
    • Poli, Esercitazioni di Fisica 1, Pitagora editore, ISBN-10: 883710023X, ISBN-13: 978-8837100230.
    • Longhi, Nisoli, Osellame, Stagira, Fisica sperimentale. Problemi di meccanica e termodinamica, Esculapio editore, ISBN-10: 8874880588, ISBN-13: 978-8874880584.
    • M. Villa, A. Uguzzoni, M. Sioli, "Esercizi di fisica. Termodinamica, fluidi, onde e relatività. Come risolvere i problemi", Zanichelli, 2018.
    • A. Bertin et al., "Problemi d'esame di Fisica Generale - Meccanica e Termodinamica", Edizioni Esculapio.
    • G. A. Salandin e P. Pavan, "Problemi di Fisica 1", CEA.
    • C. Mencuccini, V. Silvestrini, "Esercizi di Fisica – Meccanica-Termodinamica", CEA.

Metodi didattici

  • Il corso è basato su lezioni frontali, tenute in presenza/a distanza/in modalità mista (a seconda dello stato del contagio COVID), durante le quali sono esposti gli aspetti teorici degli argomenti in programma e sono proposti esercizi applicativi.
  • Le lezioni prevedono l'utilizzo del videoproiettore, connesso a un computer, su cui si proiettano diapositive, e della tavoletta grafica, anch'essa connessa al computer, per scrivere a mano, sia sulle diapositive sia su pagine bianche.
  • Le lezioni sono trasmesse in streaming e registrate.
  • Le diapositive presentate a lezione sono rese disponibili agli studenti prima della lezione su World Wide Web, presso il sito Virtuale: https://virtuale.unibo.it/, onde ridurre il tempo e il lavoro di mera trascrizione durante le lezioni.
  • La frequenza delle lezioni non è obbligatoria, tuttavia, nei fatti, si rivela indispensabile per l’apprendimento della materia nei tempi previsti.
  • Per quanto riguarda il Modulo 1:
  • Durante lo svolgimento del corso il docente assegna dei compiti per casa (quesiti ed esercizi di verifica sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/) da consegnare entro una settimana, le cui valutazioni contribuiscono al voto finale.
  • I compiti per casa proposti richiedono l'uso della calcolatrice tascabile.
  • Per la comunicazione con gli studenti sulla materia svolta e sull'organizzazione, il docente fa ampio uso dei forum disponibili sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ .
  • Il docente utilizza i questionari anonimi, disponibili sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/, per avere un riscontro sulla comprensione della materia svolta.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

  • Per quanto riguarda il Modulo 1:
  • La valutazione del Modulo 1 del corso di Fisica Generale T-1 è basata per 3/30 sui compiti assegnati per casa durante lo svolgimento delle lezioni e per 28/30 su una prova finale di verifica dell'apprendimento.
  • La prova finale di verifica dell'apprendimento si può tenere in presenza o a distanza (a seconda dello stato del contagio COVID-19).
  • In entrambe le modalità, la prova di verifica dell’apprendimento è scritta. Una breve prova di verifica orale, successiva allo scritto, può tuttavia confermare o annullare la valutazione della prova scritta (ma non modificare la valutazione).
  • La prova scritta consiste di 2 parti:
  • La prima parte è costituita di questi, relativi al programma svolto a lezione e volti ad accertare che lo studente abbia compreso in profondità i principi della fisica e sia pertanto in grado di utilizzarli proficuamente nell’individuare le leggi che governano fenomeni fisici specifici; la lista da cui vengono sorteggiati i quesiti assegnati è pubblicata sul web prima della prova di esame; agli studenti è richiesta una scelta tra più risposte oppure una risposta aperta sintetica; in quest'ultimo caso la valutazione è basata sulla correttezza, la completezza, la chiarezza, e la sintesi della risposta (in ordine con peso decrescente).
  • La seconda parte è costituita di esercizi, attinenti al programma svolto a lezione e volti ad accertare che lo studente sia in grado di utilizzare i principi e le leggi della fisica per affrontare problemi concreti e ottenere i risultati finali richiesti; gli studenti devono riportare i valori numerici delle grandezze richieste, espressi nelle unità di misura proposte, mostrando familiarità con le regole dell’analisi dimensionale e capacità di eseguire calcoli numerici con la necessaria approssimazione; la valutazione è basata sull’accuratezza dei valori riportati.
  • Il superamento del modulo dell’esame richiede una valutazione sufficiente in entrambe le parti che costituiscono la prova (quesiti ed esercizi).
  • In caso di superamento dell’esame, il voto assegnato al modulo è il valor medio pesato delle valutazioni delle due parti (quesiti ed esercizi), approssimato all'intero più vicino.
  • La lode è attribuita soltanto nel caso nel caso entrambe le parti (quesiti ed esercizi) manifestino una preparazione eccellente dello studente.
  • Ulteriori dettagli sulla struttura dei compiti d’esame, sull’organizzazione delle prove e sul metodo di valutazione sono disponibili il sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ .
  • Una simulazione della prova scritta d'esame è resa disponibile sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/.
  • Per quanto riguarda il Modulo 2:
  • La prova di verifica dell’apprendimento è scritta e consiste di 2-3 esercizi e 1-2 quesiti di teoria.
  • La sufficienza è da intendersi 18/30 in entrambe le parti (esercizi e teoria). Il voto dello scritto è una media del voto preso nelle due sezioni.
  • Voto finale
  • Il superamento dell'esame richiede la sufficienza (18/30) in entrambi i moduli.
  • In caso di superamento, il voto assegnato è la media (pesata con il numero dei crediti) delle valutazioni relative ai 2 moduli.
  • La lode è attribuita soltanto nel caso nel caso entrambe le parti (quesiti ed esercizi) manifestino una preparazione eccellente dello studente.

 

Strumenti a supporto della didattica

  • Diapositive presentate a lezione, disponibili agli studenti prima della lezione su World Wide Web, presso il sito Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ . Tali diapositive dovrebbero essere stampate e portate a lezione. Appunti integrativi possono essere presi direttamente sulle stampe delle diapositive.
  • Registrazioni audio/video delle lezioni, disponibili agli studenti (dopo che si sono tenute le lezioni) sul sito https://web.microsoftstream.com/.
  • Per quanto riguarda il Modulo 1:
  • Lista dei quesiti e degli esercizi d’esame, disponibili agli studenti su World Wide Web, presso il sito Virtuale: https://virtuale.unibo.it/ .
  • Simulazione di una prova d'esame (con quesiti/esercizi che si modificano a ogni esecuzione), disponibile agli studenti sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/.
  • Forum disponibili sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/, per la discussione con il docente sugli argomenti svolti e per la richiesta di chiarimenti.
  • Questionari anonimi, disponibili sul sito web Virtuale: https://virtuale.unibo.it/, per dare al docente un riscontro sulla comprensione della materia svolta.

Link ad altre eventuali informazioni

https://virtuale.unibo.it/

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Domenico Galli

Consulta il sito web di Sara Valentinetti