19704 - FISICA GENERALE B

Scheda insegnamento

SDGs

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

Istruzione di qualità Energia pulita e accessibile Consumo e produzione responsabili

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo, lo studente ha competenze sui concetti fondamentali della termodinamica e dell'elettromagnetismo, in vista delle applicazioni che sono argomento dei successivi corsi; ha capacità di impostare e risolvere problemi, inquadrando l'argomento in un contesto più generale e sviluppando il ragionamento che porta dai princìpi generali della fisica alla formula risolutiva. Ha capacità di ottenere risultati numerici corretti entro la precisione richiesta mediante l'utilizzo di una calcolatrice tascabile.

Contenuti

  1. Elettrostatica. Le 4 forze fondamentali della natura: forza gravitazionale, interazione nucleare debole, forza elettromagnetica, interazione nucleare forte. Particelle costituenti della materia: quark e leptoni. Particelle mediatrici delle interazioni: bosoni. Triboelettricità, lampi e fulmini. Legge di Coulomb. Principio di sovrapposizione. Distribuzioni continue di carica elettrica. Il campo elettrico. Rappresentazione del campo elettrico mediante linee di flusso. Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico. Divergenza di un campo vettoriale. Teorema di Gauss (o teorema della divergenza). Forma locale della legge di Gauss per il campo elettrico. Potenziale elettrostatico.
  2. Conduttori. Dielettrici e conduttori. Distribuzione della carica, campo elettrico e potenziale all'interno dei conduttori. Induzione elettrostatica. Campo elettrico sulla superficie dei conduttori. Campo elettrico nella cavità di un conduttore, schermo elettrostatico, gabbia di Faraday. Induzione completa. Significato della messa a terra. Potenziale di una sfera conduttrice carica. Il potere delle punte. Capacità di un conduttore. Condensatore sferico e condensatore piano. Capacità di un condensatore. Condensatori collegati in serie e in parallelo.
  3. Problema generale dell'elettrostatica. Energia elettrostatica di un sistema di cariche elettriche. Dipolo elettrico. Energia accumulata in un condensatore carico. Densità di energia associata al campo elettrico. Localizzazione dell'energia elettrostatica. Località del principio di conservazione dell'energia. Equazioni di Poisson e di Laplace. Il problema generale dell'elettrostatica.
  4. Corrente elettrica. Corrente elettrica, modello di Drude-Lorentz, velocità di deriva e velocità termica degli elettroni di conduzione. Intensità di corrente e densità di corrente. Legge di Ohm in forma locale e integrale, resistenza, conduttanza, resistività e conduttività. Resistori. Resistori collegati in serie e in parallelo. Potenza dissipata, legge di Joule. Superconduttori. Generatori elettrici. Natura non elettrostatica e non conservativa delle forze agenti sulle cariche in un generatore. Il generatore di Van der Graaf. Circuiti in corrente continua. Elettrodotti: utilizzo dell'alta tensione per ridurre la dissipazione. Transitori in un circuito RC: processo di carica e scarica di un condensatore.
  5. Forza magnetica. L'interazione tra due cariche puntiformi in movimento uniforme, legge di Ampère-Biot-Savart. Forza magnetica e sue caratteristiche: natura non centrale, inabilità a compiere lavoro, violazione del principio di azione e reazione, quantità di moto trasportata dal campo. Distribuzioni continue di carica in movimento. Conservazione locale della carica elettrica, equazione di continuità in forma locale e integrale. Il campo magnetico, forza di Lorentz, forza magnetica agente su di una distribuzione continua di carica in moto in un campo magnetico, campo magnetico generato da una distribuzione continua di carica in moto. Circuiti filiformi, prima e seconda formula di Laplace, legge di Biot e Savart, campo magnetico generato da una spira circolare e da un solenoide. Forza tra due fili rettilinei paralleli percorsi da corrente, definizione dell'Ampère.
  6. Le equazioni del campo magnetico. Tubi di flusso. Flusso del campo magnetico. Legge di Gauss per il campo magnetico in forma integrale e locale. Assenza della carica magnetica. Circuitazione del campo magnetico. Legge di Ampère-Maxwell in forma integrale e locale, corrente di spostamento. Legge di Ampère-Maxwell e conservazione della carica elettrica. Calcolo di campi magnetici con la legge di Ampère-Maxwell: filo elettrico rettilineo indefinito, solenoide.
  7. Induzione elettromagnetica. Campi elettrici a flusso nullo e circuitazione diversa da zero. Circuitazione del campo elettrico. Legge di Faraday-Lenz in forma integrale e locale. Campo elettrico indotto, forza elettromotrice e corrente indotta. Le equazioni di Maxwell.
  8. Circuiti elettrici. Autoinduzione. Induttanza di un solenoide. Energia accumulata in un induttore percorso da corrente. Densità di energia associata al campo magnetico. Mutua induzione. Trasformatori. Valore medio e valore quadratico medio (valore efficace). Corrente alternata. Formula di Galileo Ferraris. Elementi di circuito: resistori, condensatori, induttori e generatori di tensione. Reti elettriche, maglie, nodi e rami. Le leggi di Kirchhoff e la regola di Maxwell. Transitori in un circuito RL. Extracorrente di apertura. Circuito oscillante RLC-serie, analogie con l'oscillatore meccanico smorzato. La notazione complessa. Stato stazionario di un circuito RLC-serie sottoposta a forza elettromotrice alternata. Impedenza, resistenza, reattanza, ammettenza, conduttanza e suscettanza.
  9. Onde elettromagnetiche. Densità del flusso di energia, vettore di Poynting. Conservazione dell'energia e teorema di Poynting. Onde elettromagnetiche, equazione di d'Alambert. Soluzione dell'equazione di d'Alambert: onde piane progressive e regressive, onde sferiche divergenti e convergenti. Trasversalità delle onde elettromagnetiche. Relazione tra campo elettrico e campo magnetico in un'onda elettromagnetiche Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Polarizzazione destrorsa e sinistrorsa. Onde elettromagnetiche non polarizzate e parzialmente polarizzate. Metodi di polarizzazione delle onde elettromagnetiche: emissione selettiva, assorbimento selettivo, diffusione singola e riflessione. Polarizzatore perfetto, legge di Malus. Angolo di Brewster. Lamine di ritardo. Applicazioni: occhiali antiriflesso e cristalli liquidi.
  10. Sistemi termodinamici e moti molecolari. 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. Camere a bolle.
  11. Primo principio della termodinamica. 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. Formule di Poisson.
  12. Secondo principio della termodinamica. 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. Equazioni del TdS. Potenziali termodinamici di Helmholtz e di Gibbs e loro proprietà.

Testi/Bibliografia

  • Copia delle diapositive proposte a lezione e le lavagne digitali, disponibili su Alma Mater Digital Library: Virtuale
  • Quesiti ed esercizi per la verifica dell'apprendimento, disponibili su Alma Mater Digital Library: Virtuale
  • Focardi, Massa, Uguzzoni, Fisica Generale, Elettromagnetismo, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
  • Focardi, Massa, Uguzzoni, Fisica Generale, Onde e Ottica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
  • Amaldi, Bizzarri, Pizzella, Fisica Generale, elettromagnetismo, relatività, ottica, Zanichelli, Bologna.
  • Feynmann, La fisica di Feynmann, volume 2 - Elettromagnetismo e struttura della materia, Zanichelli, Bologna.
  • Rosati, Casali, Problemi di Fisica Generale, volume 2, elettricità, magnetismo, elettrodinamica e ottica, seconda edizione, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
  • Salandin, Pavan, Problemi di Fisica risolti e commentati, volume 2, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.

Metodi didattici

  • Le lezioni prevedono sia l'utilizzo della lavagna/tablet che del videoproiettore per condividere diapositive e contenuti multimediali. 
  • Tali diapositive sono disponibili sulla piattaforma VIRTUALE di ateneo onde ridurre il tempo e il lavoro di mera trascrizione durante le lezioni e per approfondimenti.
  • Le esercitazioni proposte richiedono l'uso della calcolatrice tascabile.
  • Per la comunicazione con gli studenti sulla materia e sull'organizzazione, il docente fa ampio uso della lista di distribuzione docenti-studenti e dei forum presenti su VIRTUALE

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

  • La verifica dell’apprendimento del Corso Integrato Fisica Generale (C.I.) prevede due prove separate, che possono essere sostenute in giorni diversi (nello stesso Anno Accademico) oppure nel medesimo giorno: una prova per il modulo di Fisica Generale A e una prova per il modulo di Fisica Generale B.
  • La prova di verifica di ciascuno dei due moduli (Fisica Generale A e Fisica Generale B) è scritta e consiste in un test svolto online tramite la piattaforma EOL (https://eol.unibo.it). Il test, composto da quesiti ed esercizi relativi al programma svolto a lezione, è volto ad accertare che lo studente abbia compreso in profondità i principi della fisica e sia pertanto in grado di utilizzarli proficuamente per individuare le leggi che governano fenomeni fisici specifici.
  • I quesiti proposti sono tutti a risposta chiusa dove una sola risposta è esatta e corrisponde ad un punteggio positivo(+1), mentre ciascuna delle risposte errate comporta un punteggio negativo pari a -1/(numero delle risposte errate).
  • Negli esercizi 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 della prova di modulo richiede una valutazione superiore a 18/29.
  • Il voto massimo conseguibile nella prova scritta equivale a 29. Ulteriori 3 punti sono acquisibili superando i "compiti di preparazione all'esame" disponibili sulla pagina VIRTUALE del corso (https://virtuale.unibo.it/course/view.php?id=17954). Il superamento di ciascuno dei tre compiti dà diritto ad un voto ulteriore.
  • I compiti di preparazione possono essere svolti online in qualunque momento antecedente alla data dell'esame e possono essere ripetuti a piacimento fino al superamento. I compiti di preparazione attingono allo stesso database di esercizi utilizzato per costruire il compito d'esame.
  • La lode è attribuita a una prova di modulo nel caso lo studente manifesti una preparazione eccellente ottenendo il massimo punteggio in tutte le prove.
  • Il giudizio finale di Fisica Generale (C.I.) è sufficiente se entrambe le prove di modulo (Fisica Generale A e Fisica Generale B) sono sufficienti.
  • In caso di giudizio finale sufficiente, il voto assegnato è il valor medio delle valutazioni delle due prove di modulo (Fisica Generale A e Fisica Generale B).
  • La lode è assegnata nel giudizio finale di Fisica Generale (C.I.) nel caso a entrambe le prove di modulo (Fisica Generale A e Fisica Generale B) sia stata attribuita la lode.
  • La docente si riserva la possibilità di verificare la preparazione tramite un colloquio orale.
  • Ulteriori dettagli sulla struttura dei compiti d’esame sull’organizzazione delle prove e sul metodo di valutazione sono disponibili nella pagina VIRTUALE del corso.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, videoproiettore, computer portatile

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Laura Fabbri