54798 - LABORATORIO DI ELETTROMAGNETISMO E OTTICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze di base sui circuiti in corrente continua, sui circuiti RLC sia in regime transitorio che sinusoidale e sui fenomeni di interferenza e diffrazione della luce. Conosce i fondamenti della programmazione grafica in ambiente LabVIEW ed è in grado di sviluppare semplici programmi di acquisizione dati. Con l’utilizzo di ROOT, un framework per l’analisi dati Object Oriented in C++, apprende le basi della generazione Monte Carlo di distribuzioni fisiche e dell’analisi dati in termini di loro selezione, rappresentazione e adattamento a una ipotesi. Infine, mediante l’esecuzione di diverse esperienze di laboratorio sviluppa abilità di base nell’ambito delle misure elettriche e ottiche, dell’acquisizione, analisi e simulazione dati e la capacità di esporre i risultati sperimentali in forma scritta e orale.

Contenuti

L'insegnamento è diviso in cinque moduli che affrontano, in un approccio integrato, diversi aspetti relativi all'acquisizione, all'elaborazione e alla presentazione scritta e orale dei dati sperimentali, con riferimento agli argomenti affrontati nel secondo anno del corso di laurea in fisica.

Nel primo semestre sono svolti il modulo 3, incentrato sulla programmazione a oggetti con C++ e ROOT, e il modulo 4, che tratta i dispositivi di acquisizione dati, i circuiti elettrici in regime stazionario e transiente, e il linguaggio di programmazione grafica LabVIEW. Nel secondo semestre vengono svolti il modulo 1, 2 e 5 dedicati a metodi e strumentazione per esperimenti di elettromagnetismo, in particolare circuiti elettrici in regime sinusoidale, e di ottica fisica. 

Segue descrizione dettagliata dei moduli, nell'ordine in cui vengono erogati.

Modulo 3 - Prof.ssa Silvia Arcelli, 1° semestre

• Richiamo dei principali concetti della Programmazione a Oggetti in C++ : coding conventions, classi, metodi e attributi, incapsulamento. Aggregazione ed ereditarietà. Polimorfismo.
• Applicazioni del framework ROOT in un contesto di programmazione a oggetti finalizzato alla simulazione e all’analisi di dati, con esempi focalizzati sulle prove di laboratorio che si svolgeranno nel secondo semestre.

• Approfondimenti ed esercitazioni su istogrammi (THx), grafici (TGraph), funzioni (TFx), sistema di persistenza di ROOT (TFile). Adattamento di dati sperimentali a un modello con ROOT (fit lineari e non lineari).

• Applicazione dei metodi Monte Carlo di ROOT per la generazione di distribuzioni fisiche e parametrizzazione degli effetti dell’apparato di misura e rivelazione (risoluzione, efficienza)
• Applicazioni avanzate di ROOT: Le collection classes di ROOT (TList) e strutture dati di tipo n-tuple (TTrees)

Modulo 4 - Prof. Luca Pasquini, 1° semestre

• Il linguaggio di programmazione grafica LabVIEW Introduzione a LabVIEW: i Virtual Instruments (VI) e il paradigma del dataflow. Front panel, block diagram, controlli, indicatori, costanti e funzioni. Tipi di dato numerico, booleano, stringa; Array, Clusters e Type definitions. I cicli: While loop, For loop, Tunnels e Shift Registers. Strutture decisionali: Case Structure, Event Structure; Polling vs Event-driven programming. Modularità: i SubVIs. Lettura e scrittura di file in LabVIEW. Programmazione sequenziale. Macchina a stati. Uso delle variabili locali e globali: race conditions. Comunicazione dati fra cicli paralleli: code e notifier.

• Dispositivi di acquisizione dati. Architettura generale di un dispositivo per acquisizione dati (DAQ device). La catena di misura. Convertitori Anologico-Digitale (ADC). Bus di comunicazione. Modalità di connessione segnali al dispositivo. Il campionamento: Teorema di Nyquist e aliasing. Acquisizione dati con buffer, circolare e non. Trigger. Libreria DAQ-mx in LabVIEW.
  Introduzione al microcontrollore Arduino Uno: architettura e funzionalità di base. Programmazione di Arduino in ambiente nativo mediante C++ e in ambiente LabVIEW.

Modulo 1 - Prof. Cristian Massimi, 2° semestre.

Nel modulo 1 verranno illustrate le caratteristiche di strumenti quali generatori di funzione e oscilloscopi, con riferimento specifico alle esercitazioni di laboratorio del secondo semestre (moduli 2 e 5). Verranno illustrate le modalità e gli standard da seguire per la redazione delle relazioni di laboratorio e per la presentazione orale dei risultati ottenuti, con riferimento alle consuetudini della comunità scientifica internazionale. Infine, verranno forniti alcuni complementi sui circuiti elettrici in regime transiente e sinusoidale utili per lo svolgimento delle esercitazioni di laboratorio.

• Caratteristiche della strumentazione utilizzata in laboratorio. Generatori di funzione. Multimetri digitali. Laser. Rivelatori di radiazione. Fotodiodi, loro collegamento in circuito aperto e polarizzazione inversa.
• Relazioni di laboratorio. Metodi e standard per la scrittura di una relazione di laboratorio e per la presentazione orale dei risultati. Richiami sui fit lineari, cenno ai fit non lineari.
• L’oscilloscopio. Oscilloscopi analogici e digitali. Sensibilità statica e dinamica, banda passante. Amplificazione verticale. Deflessione orizzontale, dente di sega. Trigger. Gli oscilloscopi digitali. Riferimento: Bava, Galzerano, Norgia, Ottoboni e Svelto
• Complementi sui circuiti in regime transiente e sinusoidale. Condensatore e induttore, circuiti del primo ordine. Circuiti del secondo ordine. Circuiti RLC in regime sinusoidale e il metodo dei fasori. Risposta in frequenza, circuiti passa alto, basso, passa banda e risonanti. Riferimento: Perfetti: cap. 6, 7, 8, 9 e 13 (parte).

Modulo 2 - Dott.ssa Nicoletta Mauri, 2° semestre

Il modulo 2 comprende unicamente esercitazioni in laboratorio e consiste nella progettazione di un circuito su breadboard ELVIS, la scrittura di un programma di acquisizione in ambiente LabVIEW, l’esecuzione delle misure, l’analisi e la discussione dei dati.

Modulo 5 - Dott. Matteo Franchini, 2° semestre

Il modulo 5 comprende unicamente esercitazioni in laboratorio e consiste nella progettazione di una misura di ottica fisica, la scrittura di un programma di acquisizione in ambiente LabVIEW, l’esecuzione delle misure, l’analisi e la discussione dei dati.

Testi/Bibliografia

Modulo 3 (Prof.ssa S. Arcelli)

Tutto il materiale didattico è disponibile su Virtuale:

• Materiale ufficiale di ROOT (User guide, Reference guide) dal sito http://root.cern.ch [http://root.cern.ch/] ;
• The ROOT primer: https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/primer/ROOTPrimer.html
• Diapositive delle lezioni ed esempi di codice ROOT svolti a lezione

Modulo 4 (Prof. L. Pasquini)

Tutto il materiale didattico è disponibile su Virtuale, e comprende

• Diapositive delle lezioni (LabVIEW e Dispositivi)
• Guida per l'installazione di LabVIEW e driver
  
• Guida allo svolgimento delle prove di laboratorio e schemi per la stesura delle relazioni

Moduli 1,2,5 (Prof. C. Massimi, N. Mauri, M. Franchini)

• Renzo Perfetti, Circuiti Elettrici, Zanichelli, 2013.
• Copia delle slides utilizzate a lezioni, reperibili su Virtuale
• R. Bartiromo e M. De Vincenzi, Electrical Measurements in the Laboratory Practice, Springer
• Elio Bava, Gianluca Galzerano, Michele Norgia, Roberto Ottoboni e Cesare Svelto, Misure elettroniche di laboratorio, Pitagora Editrice, 2005.

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni frontali, esercitazioni in aula e esercitazioni di laboratorio. La frequenza al laboratorio è obbligatoria. Vengono forniti dettagli sulle esercitazioni di laboratorio per ogni modulo.

ATTENZIONE: In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento obbligatorio dei moduli 1 e 2 sulla sicurezza, in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio

Modulo 3 (Pros.ssa S. Arcelli)

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali studentesse e studenti, individualmente, realizzeranno un programma C++ di simulazione e analisi dati, utilizzando la programmazione a oggetti e le funzioni di simulazione Monte Carlo e di analisi dati di ROOT. Viene richiesto di completare il programma e fare una relazione che dovrà essere consegnata individualmente entro 30 giorni dalla conclusione dei turni di laboratorio, in formato PDF mediante invio a casella di posta elettronica, seguendo uno schema fornito dal docente e includendo il listato del codice C++/ROOT.

Modulo 4 (Prof. L. Pasquini)

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali si dovranno realizzare circuiti su scheda ELVIS II e acquisire e analizzare dati mediante programma sviluppato in LabVIEW. Il programma di acquisizione e analisi viene tipicamente sviluppato con lavoro autonomo prima della frequenza del laboratorio. I temi delle tre prove sono: 1) Misura della code width e del noise del dispositivo ELVIS II, acquisizione bufferizzata, teorema del campionamento di Nyquist; 2) Legge di Ohm e circuiti resistivi in corrente continua; 3) regimi transitori in circuiti RC. Le prime due prove verranno svolte in coppia, la terza individualmente.

Modulo 1, 2 e 5 (Prof. C. Massimi, N. Mauri, M. Franchini)

Ogni studentessa/studente svolgerà, in alternativa, un'esperienza sui circuiti elettrici o di ottica fisica, che comporterà la frequenza del laboratorio per 3 turni. Lo svolgimento è in coppie; è richiesta la redazione di una relazione scritta secondo uno schema standard, che dovrà essere consegnata da ciascuno studente in formato PDF mediante invio a casella di posta elettronica istituzionale dedicata. L'esercitazione sarà oggetto anche di una presentazione individuale mediante PC e proiettore.

 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Il voto finale riflette una valutazione complessiva relativa agli argomenti dell'insegnamento ed è la media pesata dei voti conseguiti nei cinque moduli, secondo la seguente formula:
V(fin)= 0.5 × V(mod1&2&5) +0.192 × (mod3) + 0.308 × V(mod4). Per la lode finale è richiesta la lode su almeno due dei tre gruppi di moduli. 

Per tutti i moduli la frequenza alle esercitazioni di laboratorio è obbligatoria.

ATTENZIONE: a partire da gennaio 2024, sarà OBBLIGATORIO sostenere l'orale relativo ai moduli del secondo semestre come ultima prova. Ciò significa che bisognerà prima aver superato lo scritto del "Modulo C++/ROOT" e aver completato le prove obbligatorie del "Modulo LabVIEW / Acquisizione dati"

Modulo 3 (Prof.ssa S. Arcelli)

Alle relazioni viene dato un punteggio A da 0 a 5. La verifica finale consiste in una prova scritta di 4 quesiti in cui si chiede allo studente di scrivere parti di codice che utilizzano le funzionalità di ROOT illustrate durante il modulo. La prova scritta dà un punteggio massimo B pari a 28. Il voto finale del modulo è dato da C = A+B. L’esame è superato se C>=18. Per la lode è richiesto C>30.

La prova scritta e la relazione di laboratorio mirano a verificare le conoscenze acquisite del linguaggio C++ e del software ROOT con particolare applicazione all'adattamento di funzioni a dati sperimentali e a semplici tecniche di generazione Monte Carlo.

Modulo 4 (Prof. L. Pasquini)

Durante le prove di laboratorio, lo studente deve redigere una relazione, seguendo uno schema fornito dal docente, in cui siano riportati il codice del programma sviluppato, i risultati sperimentali e la loro analisi. Le relazioni devono essere consegnate in formato PDF al termine delle prove. Il voto in trentesimi ottenuto nella relazione sulla terza prova, che verrà svolta in maniera individuale, costituisce il voto d’esame. Viene valutata la capacità di sviluppare un programma per l’acquisizione dati basata su personal computer e di applicarlo alla misura di fenomeni elettrici.

Moduli 1,2 e 5 (Prof. C. Massimi, N. Mauri, M. Franchini)

Il voto congiunto sui moduli 1, 2 e 5, V(mod1&2&5), tiene conto di due valutazioni relative a:

A) Relazione scritta di massimo 6 pagine sull’esperienza sui circuiti o di ottica.

B) Presentazione orale con ausilio di PC e proiettore della esperienza sui circuiti o di ottica (durata massima di 10 minuti) e successiva discussione con i docenti. L'iscrizione alla lista di esame avviene tramite almaesami, a gruppi di 3 studenti ogni ora e mezza, 12 studenti al giorno.

In tutte le valutazioni viene posta grande importanza all'autonomia di giudizio, lo spirito critico e alle abilità comunicative (scritta e orale) degli studenti.

Ognuna delle valutazioni, nel caso sia considerata sufficiente, è compresa nell’intervallo 0 – 6. Il voto finale, a condizione che siano state superate tutte le prove, è dato da V(mod1,2,5) = 18+1.1x(2A+4B)/3 con un massimo di 30. Per la lode è necessario che 18+1.1x(2A+4B)/3 > 30.

Strumenti a supporto della didattica

Laboratori informatici, di ottica e di elettronica.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini

Consulta il sito web di Cristian Massimi

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Consulta il sito web di Silvia Arcelli

Consulta il sito web di Matteo Franchini