Corso di Fisica con esercitazioni

corso di laurea in

Biotecnologie Industriali - CTF (7 CFU – 60 ore)

Docente: Pier Carlo Ricci

Ricevimento: Mar, Gio, 13-14; oppure su appuntamento

(meglio una mail di conferma)

email: carlo.ricci@dsf.unica.it

Dipartimento di Fisica (0706754821)

Cittadella Universitaria di Monserrato - Cagliari

http://people.unica.it/piercarloricci/

Orari Lezioni:

inizio ore 10:15

Orientativamente:

2 ore accademiche di teoria

• 1 ora accademica di esercitazioni (esercizi – sostegno)

• Le lezioni seguiranno il calendario previsto: Martedì e Giovedì

• Eventuali variazioni verranno comunicate tramite avvisi sulla

pagina del docente e sito Biotin

Programma

Vettori, Unità di misura,

Meccanica di un punto

materiale: Cinematica, Dinamica

Meccanica dei fluidi

Vibrazioni e onde

Elettricità

Magnetismo

Natura ondulatoria della luce

Ottica geometrica

Testi consigliati: Principi e applicazioni, D. C. Giancoli (GEA) Fisica. Principi di Fisica, Serway, EdiSES

Principi di Fisica, Borsa Lasciallfari EdiSES Fondamenti di Fisica, Walker, Zanichelli

Qualunque testo di Fisica generale di livello universitario

Obiettivi

Al termine del corso gli studenti dovrebbero aver acquisito la conoscenza dei principali

fenomeni fisici che sono prerequisiti di base per il proseguimento del corso di studi: concetto di

energia, meccanica dei fluidi, fenomeni elettrostatici ed elettromagnetici, fenomeni ondulatori.

Oltre alla conoscenza dei concetti esposti, dovranno essere in grado di applicarli a semplici

esercizi e ai fenomeni osservabili quotidianamente.

L'abilità comunicativa dei concetti esposti è un obiettivo secondario ma importante del corso

Prerequisiti

Indispensabili nozioni di matematica di base e geometria di base. Utile (ma non richiesto)

possedere già i concetti più elementari di fisica classica.

Pre-esami

Orientativamente 7 Novembre – 9 Novembre

19-21 Dicembre o nella prima settimana di gennaio

Solo per:

• iscritti al primo anno

• per studenti che seguono il corso non del I anno Firme

durante la lezione.

Superando (>17) entrambi i parziali si può ottenere direttamente

una valutazione definitiva valida per la sessione invernale

Iscrizioni: tramite sito web Esse3 università.

Esame «Standard» Più informazioni: http://people.unica.it/piercarloricci/didattica/insegnamenti/

Prova scritta

10 domande a risposta multipla (1 punto per

ciascuna risposta corretta)

2 esercizi più ampi da commentare (10 punti

ciascuno)

Prova orale

Conferma delle nozioni

-------------------------------------------------------------------------------- Prova in itinere

• 10 esercizi e quesiti a risposta multipla

• 2 esercizi con spiegazione teoria.

Nozioni di matematica utilizzate

Livello non avanzato

• Algebra elementare (manipolazione e operazioni con monomi e polinomi)

• Equazioni di primo e secondo grado

• Elementi di geometria analitica e trigonometria

• Nozioni elementari di analisi matematica:

Concetto di funzione e sua rappresentazione grafica,

Calcolo di semplici derivate e integrali

Nessun pre requisito di Fisica richiesto!

Sufficiente (da 18 a 20/30)

Il candidato dimostra poche nozioni acquisite, livello superficiale, molte lacune. capacità espressive modeste,

ma comunque sufficienti a sostenere un dialogo coerente; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo

degli argomenti di livello elementare; scarsa capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piuttosto

stentata; scarsa interazione con il docente durante il colloquio.

b) Discreto (da 21 a 23/30)

Il candidato dimostra discreta acquisizione di nozioni, ma scarso approfondimento, poche lacune;

capacità espressive piú che sufficienti a sostenere un dialogo coerente; accettabile padronanza del linguaggio

scientifico; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di moderata complessità; più

che sufficiente capacità di sintesi e capacità di espressione grafica accettabile.

c) Buono (da 24 a 26)

Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni piuttosto ampio, moderato approfondimento, con piccole lacune;

soddisfacenti capacità espressive e significativa padronanza del linguaggio scientifico; capacità dialogica

e spirito critico ben rilevabili; buona capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piú che accettabile.

d) Ottimo (da 27 a 29)

Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso, ben approfondito, con lacune marginali; notevoli

capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; notevole capacità dialogica, buona

competenza e rilevante attitudine alla sintesi logica; elevate capacità di sintesi e di espressione grafica.

e) Eccellente (30)

Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso e approfondito, eventuali lacune irrilevanti; elevate

capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; ottima capacità dialogica, spiccata

attitudine a effettuare collegamenti tra argomenti diversi; ottima capacità di sintesi e grande

dimestichezza con l’espressione grafica.

La lode si attribuisce a candidati nettamente sopra la media, e i cui eventuali limiti nozionistici, espressivi,

concettuali, logici risultino nel complesso del tutto irrilevanti.

Cosa Studia la Fisica?

Osservazione sperimentale

Modello Teoria 1

Fenomeni generale

Teoria

2

Metodo Fisico

Formulazione matematica delle leggi fisiche

amF

Tm

Q

m

Cc

a

II

l

F

2

210

MISURA DI

GRANDEZZE FISICHE

Errori delle misure:

• Errori Sistematici

• Avvengono sempre nello stesso senso

(direzione)

• Errori Casuali

• Incertezze sperimentali legate alla ripetizione

di una misura

La misura di una grandezza fisica è sempre affetta da errore

Errore: stima di quanto la grandezza misurata si discosta

dal valore “vero”

Grandezze fisiche

definizione quantitativa, caratterizzato da un numero ed una unità di misura.

Definizione operativa:

a) unità di misura

b) criterio di confronto

c) operazione di somma e differenza

MISURA = PROCEDURE e di CONVENZIONI che consentono di assegnare ad una

grandezza un valore ed una unità di misura.

Unità di misura = intensità di una grandezza fisica alla quale si rapporta l’intensità della stessa specie.

Procedure = Insieme di operazioni e di relazioni matematiche che correlano le grandezze fra loro.

Convenzioni = scelta del campione di misura.

Campione di misura = sistema fisico che realizza ‘unità di misura: Precisione, Invarianza Riproducibilità,

Accessibilità

Grandezze fisiche fondamentali

e unità di misura

Tutte le grandezze fisiche possono essere espresse in funzione di un insieme

limitato di grandezze fondamentali

Un sistema di unità di misura definisce le grandezze fisiche fondamentali

e i corrispondenti campioni unitari (unità di misura)

Sistema Internazionale (S.I.)

Grandezza fisica Unità di misura

Lunghezza [L] metro (m)

Tempo [t] secondo (s)

Massa [M] chilogrammo (kg)

Intensità di corrente [i] ampere (A)

Temperatura assoluta [T] grado Kelvin (K)

C.G.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T]

centimetro, grammo, secondo

M.K.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T]

metro, chilogrammo, secondo

MKS + Kelvin [K] (Temperatura)

&

Ampere [I] (Intensità di corrente) = S.I.

Grandezze fondamentali e derivate – Sistemi di unità di misura

Insieme prescelto di unità di misura Sistema di unità di misura

Ogni sistema distingue le grandezze in fondamentali e derivate.

• Le grandezze fondamentali sono grandezze indipendenti le cui

unità di misura sono scelte arbitrariamente dalle quali si

ottengono tutte le altre grandezze.

• Le grandezze derivate sono quelle definite da una relazione in

rapporto a grandezze fondamentali.

Grandezze fisiche derivate

Le rimanenti grandezze fisiche sono derivate a partire dalle

grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche

Alcuni esempi:

Superficie (lunghezza)2 [L]2 m2

Volume (lunghezza)3 [L]3 m3

Velocità (lunghezza/tempo) [L][t]-1 m·s-1

Accelerazione (velocità/tempo) [L][t]-2 m·s-2

Forza (massa*accelerazione) [M][L][t]-2 kg·m·s-2

Densità (massa/volume) [M][L]-3 kg·m-3

Pressione (forza/superficie) [M][L]-1[t]-2 kg·m-2·s-2

...........

Accessibilità ed invariabilità dei campioni

Il metro è la lunghezza percorsa dalla luce nel vuoto in un

intervallo di tempo 1/(299792458) s.

Un anno luce 9.5x1015 m

Raggio medio della Terra 6.4x106 m

campo di calcio 9.1x101 m

Mosca domestica 5.0x10-3 m

Diametro di un protone 1.0x10-15 m

Pt - Ir

1 m

Un secondo è pari a 9192631770 volte il periodo di

oscillazione della radiazione dell’atomo di Cs133

Età della Terra 1.3x1017 s

Un anno 3.2x107 s

Un giorno 8.6x104 s

T (=550 nm) 2x10-15 s

the scale of the universe

Il chilogrammo è la massa del campione di massa,

un cilindro di Pt-Ir

Terra 6x1024 kg

Uomo 7.5x101 kg

Atomo di H 1.67x10-27 kg

Pt - Ir

Analisi dimensionale e omogeneità delle equazioni

U = mgh [U] = [ML2T-2]

[mgh] = [MLT-2L]=[ML2T-2]

• Grandezze adimensionali: prive di dimensioni, espresse da un numero,

indipendenti dal sistema di misura (es. densità relativa)

• Grandezze scalari: modulo (es. il tempo, la massa,la temperatura): numero e una

unità di misura

• Grandezze vettoriali: modulo, direzione e verso (es. velocità, forza): tre numeri

ed una unità di misura

Verifica dimensionale

di un’equazione

v = spazio / tempo [v] = [LT-1] S.I: m/s

C.G.S.: cm/s

Conversione delle unità di misura

Es: un corpo percorre 5 m in 4 minuti, v = spazio / tempo = ?

S.I.: v = 5/240 = 0.021 m/s C.G.Sv = 500/240 = 2.1 cm/s

Analisi Dimensionale

Si definisce ordine di grandezza di un numero

la potenza di 10 che meglio lo approssima

the scale of the universe

Esempi:

massa della Terra = 5,98x1024kg → o.d.g. =

1025 kg

massa del protone = 1,67x10-27kg → o.d.g. =

10-27 kg

Multipli e sottomultipli

PREFISSO VALORE SIMBOLO PREFISSO VALORE SIMBOLO

DECA 10 da DECI 10-1 d

ETTO 102 h CENTI 10-2 c

KILO 103 k MILLI 10-3 m

MEGA 106 M MICRO 10-6

GIGA 109 G NANO 10-9 n

TERA 1012 T PICO 10-12 p

PETA 1015 P FEMTO 10-15 f

Esempi di grandezze fisiche caratteristiche raggio dell'universo 1026 m

raggio della galassia 1021 m

raggio del Sole 7 108 m

raggio della Terra 6,4 106 m

lunghezza d’onda della luce visibile 0.5106 m = 0.5μm

raggio di un atomo 1010 m = 100 pm = 1Å

raggio di un nucleo 1015 m=1 fm

età dell’universo 1017 s

un anno 3,1 107 s

periodo di oscillazione della nota “LA” 2,3 10-3 s = 2,3 ms

tempo di transizione tra livelli atomici 10-8 s = 10 ns

tempo di commutazione di un transistor 10-9s = 1 ns

periodo di oscillazione della luce visibile 10-14s = 10 fs

massa dell’universo 1053 kg

massa della galassia 8 1041 kg

massa del Sole 2 1030 kg

massa della Terra 6 1024 kg

massa del protone 1,67 10-27 kg

massa dell’elettrone 9,1 10-31 kg

Sapendo che il raggio della Terra è R=6 x103 Km

Calcolare:

• Il Volume in Km3 in m3

• La Superficie Km2 m2

Volume di una Sfera:

4/3 r3

4r2

Km3

Sistema di riferimento: cartesiano (x, y, z)

ad ogni punto P nello spazio si può associare una terna di numeri

un vettore si rappresenta mediante un segmento orientato

P

xp

yp

O

zp

Algebra vettoriale

Somma e differenza di vettori: a + b = c

modulo, direzione e verso

A punto di applicazione A

B v

a

b

c

a c

-b

metodo grafico: regola del parallelogramma

Il vettore opposto: b + (-b) = 0

b

-b

Proprietà della somma:

a + b = b + a (commutativa)

(a + b) + c = a + (b + c) (associativa)

a c

b

a = c - b

risultante

Scomposizione di un vettore

vx = v cos

vy = v sin

v = (vx2+vy

2)

v = vx+vy = vxi + vyj

i, j e k versori (vettori unitari)

a = b ax=bx; ay=by; az=bz

a = -b ax=-bx; ay=-by; az=-bz

c = a + b cx=ax+bx; cy=ay+by; cz=az+bz

O x

y

vx

vy

Prodotto di un vettore per uno scalare: b = k a a

b k = 4

Nel piano

Nello spazio

vx = vxi vy = vyj

scomposizione

Prodotto scalare tra 2 vettori: a x b = ab cos

proprietà. commutativa a x b = b x a

proprietà. distributiva (a + b) x c = (a x c) + (b x c)

Prodotto vettoriale tra 2 vettori: a b = c

modulo c =ab sen

direzione e verso: regola della mano destra

Non gode della proprietà commutativa

(a b) = - (b a);

se v a a x v = v x a = 0 da cui (a b) x a = (b a) x a = 0

a

b

c

Prodotto tra 2 vettori

a

b

Prodotto scalare

b

a

b'

a•b = |a||b|cos = |a|b'

b' = |b|cos : componente di b lungo a

= 0o a b = ab cos f = ab

b

a

= 90°

a b = ab cos = 0 b

a

= 180° a b = ab cos = – ab

a

b

Es.:

Prodotto vettoriale

a

b

c

b"

c = a b

Modulo di c :

|c| = |a||b|sen = |a|b”

b’’: componente di b ortogonale ad a

b” Direzione di c:

ortogonale ad a e b

Verso di c:

verso di avanzamento di una vite che ruota sovrapponendo a su b

a

b

b''