Codice insegnamento

4S02750

Crediti

12

Coordinatore

Nicola Daldosso

Lingua di erogazione

Italiano

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE

Corsi Singoli

Autorizzato

Moodle Seminari 0

L'insegnamento è organizzato come segue:

Obiettivi di apprendimento

L’insegnamento di Fisica I con Laboratorio contribuisce al raggiungimento degli obiettivi formativi del corso di Laurea triennale in Matematica Applicata fornendo: - gli elementi essenziali del metodo scientifico, anche per mezzo di alcune sperimentazioni di laboratorio, mostrando che la fisica è una scienza quantitativa basata sulla misura delle grandezze fisiche; - le conoscenze di base della meccanica classica (cinematica e dinamica) del punto materiale e dei sistemi di punti materiali e, parzialmente, del corpo rigido; - gli elementi utili alla risoluzione di esercizi e problemi di meccanica; - l’acquisizione dei principi fondamentali della termodinamica, della calorimetria e della conducibilità termica. Al termine della frequenza dell’insegnamento, lo studente dovrà dimostrare di: - avere un'adeguata capacità di analisi e di astrazione di situazioni fisiche tipiche della meccanica del punto materiale, dei sistemi di punti materiali e, parzialmente, del corpo rigido, e della termodinamica; - essere in grado di produrre dimostrazioni rigorose, e di formalizzare matematicamente e risolvere problemi di meccanica del punto materiale, dei sistemi di punti materiali; - avere la capacità di costruire e sviluppare modelli matematici per la fisica ed analizzarne i limiti e l’applicabilità. - essere in grado di allestire ed eseguire alcuni semplici esperimenti che prevedono la misura di varie grandezze fisiche e la successiva rappresentazione (istogrammi e grafici) ed elaborazione dei dati raccolti.

Prerequisiti e nozioni di base

Sono richieste le conoscenze e competenze matematiche tipiche della formazione fornita dalla scuola secondaria superiore.
In particolare:
- saper classificare una grandezza come grandezza scalare o grandezza vettoriale
- calcolo vettoriale: operazioni tra vettori (somma, prodotto vettoriale e scalare), rappresentazione cartesiana e scomposizione di vettori
- nozioni di base di trigonometria
- calcolo algebrico (operazioni tra monomi e polinomi, potenze di polinomi, ecc.)
- metodi di risoluzione di equazioni (e di sistemi di equazioni) di primo e secondo grado
- elementi del calcolo differenziale (operatore derivata ed integrale)
- capacità di rappresentare dati, relazioni e funzioni con formule, tabelle, istogrammi, e/o grafici.
NON sono previste lezioni dedicate agli argomenti di matematica sopra elencati. Ciascuno studente dovrà , in caso, provvedere mediante lo studio personale.
Alcuni argomenti (in particolare, il calcolo vettoriale) saranno richiamati dal tutor.
NOTA: saranno in ogni caso messe a disposizione dispense di richiamo di trigonometria e calcolo vettoriale.

Programma

L’insegnamento di FISICA I con Laboratorio consta di due moduli distinti:
- modulo di Teoria (9 CFU)
- modulo di Laboratorio (3 CFU)
MODULO di TEORIA
Il modulo di TEORIA fornisce le conoscenze di base della meccanica e termodinamica classica, attraverso la derivazione delle leggi e dei principi che governano il moto dei corpi, nonché gli elementi utili alla risoluzione di esercizi e problemi di cinematica e dinamica del punto materiale, di sistemi di punti materiali, nonché le leggi ed i principi della Termodinamica e della calorimetria.
I principali argomenti trattati in tale modulo sono:
CINEMATICA
Cinematica del punto materiale. Spostamento, velocità ed accelerazione. Moti uni-dimensionali. Sistemi di riferimento. Moti in due e tre dimensioni (sistema di riferimento coordinate intrinseche e polari). Trasformazioni di Galileo e moti relativi. Principio di relatività classica. Moto dei proietti. Moto circolare.
DINAMICA
Dinamica del punto materiale. Le leggi di Newton ed applicazioni. Le forze esistenti in natura.
Moti periodici e oscillazioni: oscillatore semplice, forzato e smorzato.
Attrito e forze resistenti. Sistemi inerziali e non inerziali. Forze apparenti.
quantità di moto ed impulso. Momento di una forza. Il teorema quantità di moto-impulso. Forze centrali. I campi di forze conservativi e l'energia potenziale. Lavoro e Energia. Principio di conservazione dell’energia meccanica.
SISTEMI di PARTICELLE
Dinamica dei sistemi di particelle: equazioni cardinali della dinamica dei sistemi. Sistema di riferimento del centro di massa. Teoremi di Koenig per l'energia cinetica e per il momento angolare. Legge di Newton della gravitazione universale; il moto dei satelliti, leggi di Keplero.
Il problema dei due corpi. Momento di inerzia.
Urti elastici ed anelastici. Conservazione della quantità di moto. Dinamica dell’urto.
Cenni alla dinamica del corpo rigido.
MECCANICA dei FLUIDI
Generalità sui fluidi. Pressione. Lavoro della pressione nei fluidi. Legge di Stevino. Principio di Pascal. Applicazioni ed esempi.
Principio di Archimede.
Moto di un fluido in regime stazionario: portata e teorema di Bernoulli. Applicazioni ed esempi.
TERMODINAMICA
Temperatura e calore. Calorimetria: equilibrio termico, capacità termica e calori specifici. Equivalente meccanico della caloria. Leggi dei gas perfetti e teoria cinetica. I principi della Termodinamica. Le trasformazioni termodinamiche. Macchine termiche e frigorifere.
MODULO di LABORATORIO
II modulo di Laboratorio intende fornire gli elementi essenziali del metodo sperimentale, dimostrando che la fisica è una scienza quantitativa basata sulla misura di grandezze fisiche e sulla valutazione delle incertezze di misura dovute alla risoluzione dello strumento e alla presenza di errori casuali.
I principali argomenti trattati in tale modulo sono - i fondamenti del metodo sperimentale
- la teoria degli errori di misura
- l’analisi dei dati sperimentali relativi ad alcuni semplici esperimenti (quali la misura con diversi strumenti di lunghezze, del periodo di oscillazione di un pendolo semplice, la verifica della legge di allungamento elastico).

Bibliografia

Modalità didattiche

Le modalità didattiche dell’insegnamento di Fisica I con Laboratorio sono differenziate per i due moduli.
MODULO di TEORIA
Il modulo di Teoria è organizzato in lezioni di teoria (7 cfu da 8 ore) ed esercitazioni (2 cfu da 12 ore).
Per favorire lo studente nella comprensione e nell'apprendimento delle leggi e dei principi trattati, durante le lezioni frontali verrà fatto ricorso in modo sistematico alla fenomenologia, anche mediante uso di video-tutorial.
Le esercitazioni sono fondamentali per la comprensione ed applicazione delle leggi e delle nozioni affrontate nelle lezioni di teoria. Nelle ore di esercitazione saranno risolti esercizi e problemi di meccanica (cinematica e dinamica) al fine di permettere allo studente di affrontare e superare la prova scritta dell'esame finale. Le ore di esercitazioni saranno sempre successive alle ore di teoria cercando di dare una continuità di approfondimento e comprensione delle varie parti del programma.
Di norma le lezioni sono tenute in aula utilizzando sia la lavagna tradizionale sia diapositive e/o testi. Brevi filmati, grafici, disegni e altro materiale utile a facilitare la comprensione degli argomenti trattati saranno utilizzati dal docente.
Si auspica una attiva partecipazione degli studenti alle lezioni attraverso domande, stimoli di discussione, richieste di chiarimenti, nonché suggerimenti per la soluzione degli esercizi.
In aggiunta a ciò, è prevista un’attività di tutorato (extra orario) erogata frontalmente in aula e/o mediante video lezioni, dedicata a richiami e complementi nonché alla risoluzione di esercizi e problemi di fisica, aggiuntivi alle ore di esercitazione da parte del docente.
MODULO di LABORATORIO
Il modulo di Laboratorio è diviso in una parte di lezioni frontali in aula sul metodo sperimentale e sulla teoria degli errori di misura (UL Teoria di Laboratorio) ed una seconda parte (UL Laboratorio) di esperienze svolte dagli studenti nel Laboratorio Ciberfisico divisi in due turni per questioni logistiche. Per queste ultime è previsto l’obbligo di frequenza.
Le sessioni di laboratorio consistono nell’esecuzione di semplici esperimenti che comportano la misura di grandezze fisiche, la rappresentazione e l’analisi dei dati raccolti e la trattazione degli errori, nonché l’elaborazione di una relazione con la discussione dei risultati dell’esperimento svolto.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame del corso di Fisica I con Laboratorio consiste nella verifica delle conoscenze distinte per i due moduli di Teoria e di Laboratorio, per ognuno dei quali viene espressa una valutazione indipendente in trentesimi, che concorrerà a determinare il voto complessivo secondo il criterio di peso proporzionale al numero di CFU del modulo relativo.
MODULO di TEORIA
L’esame consiste nel superamento di una prova scritta e di una prova orale, alla quale si accede solo dopo aver superato la prova scritta. La prova scritta si intende superata solo se il voto riportato non è inferiore a 18/30. Le modalità d’esame per il modulo di teoria sono le stesse per i frequentanti e i non frequentanti. La prova scritta viene ritenuta valida per due appelli successivi, per dar modo allo studente di preparare ed organizzare la prova orale secondo il proprio programma di studio. Il colloquio orale potrà essere comunque sostenuto solo dopo aver conseguito anche il superamento del modulo di Laboratorio.
MODULO di LABORATORIO
Per il modulo di laboratorio si procederà alla valutazione di una relazione di gruppo in-itinere e di una relazione finale di gruppo sull’esperimento del pendolo semplice. Inoltre, verrà svolto un test individuale a risposta multipla a fine corso che valuterà lo stato di apprendimento di quanto svolto nella teoria di laboratorio.

Criteri di valutazione

Le due prove d’esame, scritto e orale, sono intese ad accertare il livello delle conoscenze acquisite dallo studente relativamente al modulo di Teoria dell’insegnamento di Fisica I con Laboratorio.
Prova scritta consiste nella risoluzione di alcuni problemi tipici di meccanica (del punto materiale, dei sistemi di punti materiali), che prevedono l’applicazione di leggi e di principi derivati (enunciati e dimostrati) durante le lezioni frontali e sistematicamente richiamati durante le esercitazioni in aula.
La prova orale consiste in un colloquio con domande sul programma svolto in aula relativo alla derivazione di leggi fisiche e alla dimostrazione dei teoremi e dei principi di conservazione della dinamica del punto materiale, dei sistemi di punti materiali, e delle leggi e dei principi della termodinamica e della calorimetria.
Per la parte di laboratorio, la relazione di gruppo sull'esperienza del pendolo verrà valutata considerando le competenze acquisite in termini di presentazione dell'esperimento, rappresentazione ed analisi dei dati sperimentali (mediante istogrammi, grafici, funzioni statistiche, interpolazioni...), discussione dei risultati con particolare attenzione agli errori casuali e sistematici, nonché il confronto critico tra diverse procedure sperimentali e strumenti di misura. Il test individuale verificherà l'apprendimento dello studente su quanto concerne il modulo di teoria di laboratorio (strumenti e unità di misura, teoria degli errori, analisi statistica dei dati).

Criteri di composizione del voto finale

Per il modulo di teoria è prevista una valutazione cumulativa ottenuta facendo la media aritmetica delle valutazioni riportate nelle due prove d’esame, scritto e orale, superate.
Per il modulo di laboratorio è prevista una valutazione cumulativa ottenuta facendo la media pesata del voto della relazione di gruppo (2/3) e del test finale individuale (1/3).
La valutazione complessiva dell’esame dell’insegnamento di Fisica I con laboratorio risulterà dalla media pesata, sul numero dei CFU del modulo, dei voti riportati nelle prove di valutazione previste per ognuno dei due moduli: Teoria (9/12) e Laboratorio (3/12).

Lingua dell'esame

italiana