54798 - LABORATORIO DI ELETTROMAGNETISMO E OTTICA (A-L)

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 di programmazione visuale 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 moduli (due nel primo semestre e uno nel secondo) 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.

Il primo semestre è articolato in due moduli. Si inizia con il modulo incentrato sulla programmazione a oggetti con C++ e ROOT, e si prosegue con il modulo che tratta i dispositivi di acquisizione dati e i circuiti elettrici in regime stazionario e transiente. Il secondo semestre è dedicato 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. 

1° semestre - primo modulo - Prof.ssa Silvia Arcelli,

Applicazioni del framework ROOT finalizzate alla simulazione e all’analisi di dati. In particolare:

· Richiami, approfondimenti ed esercitazioni su istogrammi (THx), grafici (TGraph), funzioni (TFx), sistema di persistenza di ROOT (TFile), come includere Classi user-defined in ROOT.

· Applicazione dei metodi Monte Carlo di ROOT per la generazione di distribuzioni fisiche e parametrizzazione degli effetti dell’apparato di misura e delle condizioni sperimentali (rumore di fondo, risoluzione, efficienza); Toy MC.

· Adattamento a un modello con ROOT e stima dei parametri del modello, covarianza e correlazione dei parametri, test di ipotesi, fit lineari e non lineari.

· Applicazioni avanzate di ROOT: collection class di ROOT (TList) e strutture dati di tipo n-tuple (TTrees) 

1° semestre - secondo modulo - Prof. Francesco Minardi

• 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. Cenni di analisi dei segnali e trasformata di Fourier. Introduzione ai circuiti in corrente continua e alternata. Introduzione al microcontrollore Arduino Uno: architettura e funzionalità di base. Programmazione di Arduino in ambiente nativo mediante C++ e in ambiente LabVIEW. 
  

2° semestre - Prof.ssa Nicoletta Mauri

Saranno illustrate le caratteristiche di strumenti quali generatori di funzione e oscilloscopi, con riferimento specifico alle esercitazioni di laboratorio del secondo semestre. 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, saranno 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.
• 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). 

L’esperienza di laboratorio consisterà in un primo esperimento guidato di ottica fisica e successivamente nella progettazione di un circuito su breadboard ELVIS, l’esecuzione delle misure, l’analisi e la discussione dei dati.

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. 

Testi/Bibliografia

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

Prof. F. Minardi

Tutto il materiale didattico è disponibile su Virtuale, e comprende

• Diapositive delle lezioni
  
• Guida allo svolgimento delle prove di laboratorio e schemi per la stesura delle relazioni

Prof.ssa N. Mauri 

• 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

Prof.ssa S. Arcelli

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali studentesse e studenti, in gruppi composti da 4 studenti (gruppi che saranno definiti in prossimità dell’inizio delle prove di laboratorio), realizzeranno un programma in C++/ROOT, articolato in tre funzionalità fondamentali: 1) Simulazione Monte Carlo relativa all’esperienza di ottica fisica in programma nel II semestre, con particolare riferimento al ruolo delle incertezze legate all’apparato di misura. 2) Analisi dei dati ottenuti al punto precedente attraverso una procedura di fit per la stima dei parametri della distribuzione e considerazioni sulla qualità del fit in termini di test di ipotesi. Particolare enfasi è rivolta alla stima delle incertezze da associare alle grandezze fisiche determinate. 3) Valutazione degli effetti delle risoluzioni sperimentali, del rumore di fondo e dell’efficienza dell’apparato sperimentale.

Prof. F. Minardi

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali si dovranno realizzare circuiti elettrici, acquisire la tensione ai capi di alcuni elementi circuitali e analizzare i dati. Il programma di acquisizione e analisi viene tipicamente sviluppato con lavoro autonomo prima della frequenza del laboratorio. I temi delle tre prove sono: 1) acquisizione di un segnale acustico 2) trasmissione di un segnale elettrico in una linea di tramissione; 3) realizzazione di un ponte di Wheatstone.

Prof.ssa N. Mauri

Sono previste due prove di laboratorio. Una prova guidata di ottica fisica sui fenomeni di interferenza e diffrazione e una prova di circuiti RLC oscillanti. Questa seconda esperienza di laboratorio 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.

L’esame relativo al secondo semestre si può svolgere solo dopo che i moduli del primo semestre risulteranno superati.

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

Prof.ssa S. Arcelli

Test scritto con domande ed esercizi con il sistema EOL per la valutazione degli argomenti trattati nel modulo, in particolare sulla simulazione Monte Carlo di distribuzioni sperimentali, e sull'adattamento e test di ipotesi di dati sperimentali a un modello attraverso le funzionalità di ROOT. All’ esito del test verrà attribuito un punteggio da A ad E, che contribuirà al voto ottenuto in sede di esame orale finale.

Prof. F. Minardi

Durante le prove di laboratorio, lo studente deve redigere una relazione, seguendo uno schema fornito dal docente, in cui siano riportati le considerazioni fisiche, i risultati sperimentali e la loro analisi. Le relazioni devono essere consegnate in formato PDF al termine delle prove. In base alla seconda e terza prova, verrà attribuito un punteggio da A ad E che contribuirà al voto ottenuto in sede di esame orale finale. Nell’attribuzione del punteggio viene valutata la capacità di sviluppare un setup per l’acquisizione dati basata su personal computer e di applicarlo alla misura di fenomeni elettrici.

Prof.ssa N. Mauri

Il voto del secondo semestre tiene conto di due valutazioni relative a:

A) Relazione scritta sull’esperienza di laboratorio.

B) Presentazione orale con ausilio di PC e proiettore dell’esperienza di laboratorio (durata massima di 10 minuti) e successiva discussione con i docenti. L'iscrizione alla lista di esame avviene tramite AlmaEsami.

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

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Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti:

si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile ( https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

Laboratori informatici, di ottica e di elettronica.

Sulla repository virtuale.unibo.it sono riportate le slide presentate a lezione.

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it). 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Nicoletta Mauri

Consulta il sito web di Francesco Minardi

Consulta il sito web di Silvia Arcelli

Consulta il sito web di Alessandro Puri