19704 - FISICA GENERALE B

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente apprende e sa applicare in autonomia le conoscenze sulle nozioni basilari della fisica generale nel linguaggio dell'analisi matematica, del calcolo integrale e vettoriale; acquisisce la metodologia scientifico-tecnica necessaria per affrontare in termini quantitativi i problemi di fisica.

Contenuti

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Testi/Bibliografia

• Copia delle diapositive proposte a lezione, disponibili su World Wide Web presso l'Alma Mater Digital Library: Collezione AMS Campus - AlmaDL - Diapositive.
• Quesiti ed esercizi per la verifica dell'apprendimento, disponibili su World Wide Web presso l'Alma Mater Digital Library:  Collezione AMS Campus - AlmaDL - Quesiti/Esercizi.
• Bertin, Poli, Vitale, Fondamenti di Termodinamica, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna.
  
• Bertin, Semprini Cesari, Vitale, Zoccoli, Lezioni di elettromagnetismo, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna.
• 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 l'utilizzo del videoproiettore collegato a un MacBook su cui sono memorizzate le  diapositive.
• Tali  diapositive sono rese disponibili agli studenti prima della lezione mediante  World Wide Web, in forma compatta (4 per pagina) e stampabile, onde ridurre il tempo e il lavoro di mera trascrizione durante le lezioni.
• 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   domenico.galli.fisica-B-forli   del Directory Service d'Ateneo.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

• La verifica si basa su di una prova scritta.
• I compiti d'esame sono costituiti da almeno  3 problemi  da risolvere e da almeno  4 quesiti  a cui rispondere (risposta "aperta").
• Il tempo massimo assegnato per le prove scritte è pari a 90 minuti.
• Gli esercizi sono tratti casualmente da una lista di qualche centinaio di esercizi, disponibile agli studenti tramite World Wide Web (si utilizza l'ultima lista pubblicata sul Web 15 giorni prima dell'esame). Gli esercizi sono valutati sulla base dei risultati numerici, i quali sono funzione di un numero, assegnato, individualmente, a ogni studente che sostenga la prova. La valutazione del singolo esercizio è pari a 3/3 se il risultato è corretto entro 5 unità della terza cifra significativa, è pari a 2/3 se il risultato è corretto entro 10 unità della terza cifra significativa, è pari a 1/3 se il risultato è corretto entro 20 unità della terza cifra significativa oppure se la mantissa del risultato è corretto entro 5 unità della terza cifra significativa ma l'esponente è diverso di una unità. In ogni altro caso la valutazione è pari a 0/3.
• I  quesiti  sono tratti  casualmente  da una  lista  di qualche centinaio di quesiti, disponibile agli studenti tramite World Wide Web (si utilizza l' ultima lista pubblicata sul Web 15 giorni prima dell'esame ). A ogni quesito è assegnata una  valutazione  compresa tra 0 e 3.
• Il risultato della valutazione del singolo esercizio e del singolo quesito è  rinormalizzato  in modo che il  terzo quartile  delle valutazioni di tale esercizio o quesito corrisponda a un punteggio di  3/3 . Il voto complessivo del compito si ottiene calcolando separatamente la  media aritmetica  delle valutazioni dei quesiti e la  media aritmetica  delle valutazioni degli esercizi, quindi calcolando la media aritmetica delle due valutazioni e riportandola in trentesimi. Gli arrotondamenti si eseguono una volta sola, all'intero più vicino.
• Per partecipare alle prove scritte è necessario iscriversi nelle liste disponibili sul sistema AlmaEsami con almeno 8 (otto) giorni di anticipo
• Nel caso si verifichino irregolarità nello svolgimento della prova di esame (consultazione di testi, appunti più o meno miniaturizzati o memorizzati su dispositivi elettronici, utilizzo di telefoni cellulari, walkie-talkie o auricolari, comunicazione scritta o verbale con altri studenti, allontanamento dall'aula prima della consegna definitiva dell'elaborato, occupazione di un posto diverso da quello assegnato, ecc.) è prevista l'espulsione dall'appello di esame e il deferimento all'autorità disciplinare competente.
• L'esame di Fisica Generale (C.I.) è ritenuto superato se entrambe le valutazioni dei moduli di Fisica Generale A e di Fisica Generale B sono maggiori o uguali a 18/30. Le verifiche relative ai due moduli (Fisica Generale A e Fisica Generale B) devono essere superate nel medesimo Anno Accademico.  La verifica di Fisica Generale B può essere sostenuta soltanto dopo il superamento della verifica di Fisica Generale A. Il voto verbalizzato, in caso di superamento, è la media delle due valutazioni. La lode è riconosciuta se entrambe le valutazioni sono superiori a 30/30.
• Ulteriori dettagli sono disponibili nelle pagine “ Contenuti utili” del sito web istituzionale del docente.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, MacBook.

Link ad altre eventuali informazioni

https://lhcbweb.bo.infn.it/GalliDidattica

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Domenico Galli