31064 - LABORATORIO DI FISICA 2

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo di programmazione, lo studente possiede conoscenze consolidate sulla programmazione in C++, sugli algoritmi e sulle strutture dei dati; possiede inoltre conoscenze di base sulle applicazioni con metodi Monte Carlo per il calcolo numerico e la simulazione di processi fisici. In particolare, lo studente è in grado di: - utilizzare gli algoritmi di programmazione più adatti a risolvere problemi nell'ambito della fisica sperimentale, della simulazione e del calcolo numerico; - elaborare con il computer i dati sperimentali di alcune prove pratiche svolte nel laboratorio di Fisica, scrivendo programmi in C++ ed utilizzando applicativi software già disponibili (Excel, Word) per l'analisi e la presentazione grafica dei dati, e la stesura delle relazioni sulle prove di laboratorio. Al termine del modulo di elettromagnetismo ed ottica, lo studente acquisisce le conoscenze di base riguardanti: - il funzionamento dei circuiti elettrici in corrente continua ed alternata e della relativa strumentazione; - i principali fenomeni dell'ottica classica e ondulatoria mediante realizzazione di esperimenti. In particolare, lo studente è in grado di: - effettuare misure di corrente, tensione e resistenza con l'uso di strumenti analogici, digitali e oscilloscopio; - realizzare una serie di esperimenti fondamentali di ottica che prevedono l’uso di un banco ottico con sorgente laser. Lo studente applica inoltre le conoscenze già acquisite di elaborazione statistica dei dati e di programmazione.

Contenuti

Modulo I (Circuiti elettrici e ottica) - Leggi di Kirchhoff, bipoli resistivi, multipoli resistivi, cenno ai metodi di analisi e all'uso della linearità e sovrapposizione, condensatori ed induttori, circuiti del primo e secondo ordine, RLC in regime sinusoidale, risposta in frequenza. Ottica: esperimenti di diffrazione e interferenza. Strumenti del laboratorio di elettronica e ottica. Esperimenti sull’induzione elettromagnetica e sui circuiti RLC in regime transiente e sinusoidale.

Modulo II (Programmazione C++/ROOT) - Richiami di programmazione C++ : Programmazione a oggetti – classi, metodi e attributi, incapsulamento e meccanismo di protezione dei membri di una classe. Aggregazione ed ereditarietà. Polimorfismo. Appliicazione dei metodi Monte Carlo per la generazione di distribuzioni fisiche e parametrizzazione degli effetti dell’apparato di misura e rivelazione (risoluzione, efficienza). Applicazioni avanzate del framework ROOT per l'analisi dati: Adattamento di dati sperimentali o simulati a un modello (Fit lineari e non lineari). Utilizzo di ROOT in un contesto di programmazione a oggetti finalizzato alla simulazione e all’analisi di dati reali (o simulati), con utilizzo di strutture dati di tipo n-tuple (Trees) e applicazioni specifiche alle tematiche connesse agli esperimenti di laboratorio di Fisica del II anno.

Modulo III (LabVIEW) – Fondamenti del linguaggio di programmazione grafica LabVIEW. Dispositivi per l'acquisizione e generazione di segnali elettrici: architettura hardware e modalità di comunicazione con il computer. Connessione fisica di sensori/attuatori al dispositivo. Campionamento di segnali: aliasing e teorema di Nyquist. Libreria software DAQ (DAta acQuisition) in LabVIEW. Generazione di segnali. Tempistiche di acquisizione e generazione: single-point, bufferizzata finita, bufferizzata continua. Acquisizione e generazione con trigger analogico e digitale.

Testi/Bibliografia

Modulo I (Laboratorio di circuiti elettrici e ottica)

R. Perfetti, “Circuiti elettrici”, Zanichelli - Bologna.

E. Bava, G. Galzerano, M. Norgia, R.o Ottoboni e C. Svelto, “Misure elettroniche di laboratorio”, Pitagora Editrice, 2005. C.

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, “Elementi di Fisica: Elettromagnetismo e onde”, EdiSes

Modulo II (Programmazione C++/ROOT) –

J.L. Hennessy e D.A. Patterson, "Computer Architecture, A quantitative approach"

N. M. Josuttis, "The C++ Standard Library"

ROOT: un pacchetto Software Object-Oriented per l'analisi dati:

https://root.cern.ch/, https://root.cern.ch/guides/primer

Modulo III (LabVIEW)

Materiale didattico su campus (docente di riferimento: Prof. Luca Pasquini).

J. Essick, “Hands-On Introduction to LabVIEW”, Oxford University Press

Metodi didattici

Modulo I – Lezioni frontali e esercitazioni numeriche sui circuiti elettrici. Lezioni frontali sulla strumentazione del laboratorio di elettronica e di ottica e sulle esperienze di laboratorio. Ogni studente dovrà svolgere quattro esperienze di laboratorio di elettromagnetismo e ottica, scrivere le corrispondenti relazioni e discuterne una bozza con i docenti.

Modulo II - Lezioni frontali in aula con esempi risolti dal vivo. Ogni studente dovrà svolgere 12 ore di esercitazioni nel laboratorio informatico durante i quali saranno elaborati gli argomenti discussi al corso.

Modulo III - Lezioni frontali in aula, comprendenti sia teoria sia esercizi con sviluppo di programmi, utilizzando anche dispositivi DAQ. Ogni studente dovrà obbligatoriamente svolgere tre esperienze di laboratorio (totale 12 ore) per mettere in pratica i concetti di programmazione e misura discussi durante le lezioni.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Modulo I - La verifica finale consiste di una prova scritta sui circuiti elettrici ed un colloquio orale. Per l’ammissione allo scritto è necessario aver frequentato le quattro esperienze di laboratorio ed aver consegnato le corrispondenti relazioni. Il colloquio consiste nella discussione di una delle esperienze di laboratorio (comunicata dal docente) sulla base del programma svolto. Per l’ammissione all’orale è necessario aver superato lo scritto del modulo I e la verifica dei moduli II e III. Il voto finale per l'intero corso di Laboratorio di Fisica II è calcolato come media pesata dei voti riportati nei moduli I, II e III.

Modulo II: La verifica consiste di una prova scritta consistente in 5 brevi domande e di un colloquio. La verifica verterà sulla conoscenza del linguaggio C++ e degli argomenti trattati durante il corso (simulazione Monte Carlo, analisi con ROOT). Per l’ammissione allo scritto è necessario aver frequentato i turni pratici di laboratorio. Il colloquio consiste nella discussione dello scritto e del programma elaborato durante i turni di laboratorio, e nella discussione di un programma a scelta in C++, strutturato secondo una logica di programmazione a oggetti che contenga anche un’applicazione delle funzionalità del framework ROOT. Il voto del modulo II sarà ottenuto attribuendo un massimo di 20 punti per la prova scritta e di 10 punti per i programmi presentati dagli studenti.

Modulo III: Durante la terza prova di laboratorio, lo studente dovrà redigere una relazione, seguendo uno schema fornito dal docente, in cui siano riportati il codice del programma sviluppato, i risultati sperimentali, la loro analisi e breve discussione. La relazione dovrà essere consegnato in formato PDF al termine della prova. La verifica finale consiste in una prova scritta in cui verranno proposte 10 brevi domande sui contenuti del corso. Il voto del modulo III sarà ottenuto attribuendo un massimo di 20 punti per la prova scritta e di 10 punti per la relazione.

Strumenti a supporto della didattica

Modulo I – Laboratorio didattico ben attrezzato di elettronica e ottica.

Modulo II – Laboratorio di Informatica

Modulo III – Laboratorio attrezzato con personal computer e schede di acquisizione dati modello ELVIS II. Agli studenti verranno date istruzioni per scaricare e installare gratuitamente LabVIEW Student Edition.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Federico Boscherini

Consulta il sito web di Silvia Arcelli

Consulta il sito web di Luca Pasquini