Insegnamento singolo (I anno 1°semestre)
Single course (1st year – 1st term)
Fisica (8 CFU)
Physics (8CFU)
Propedeuticità: Nessuna
Required foundation courses: none
Titolo dell’insegnamento
Subject Title
Fisica (8 CFU)
Physics (8CFU)
Laurea (Degree)
Biotecnologie Sanitarie
Maurizio Morando
Docente (Lecturer)
Obiettivi formativi del modulo fenomeni fondamentali di fisica per la biologia, metodologie della
fisica, problem solving
Module educational goals basic fenomena of Physics for biology, physical methodology, problem
solving
Programma del modulo
La Fisica e la Biologia
Fisica e misure fisiche
Unità di misura e dimensioni. Analisi dimensionale, principio di omogeneità.
Richiami di cinematica, Moto in una e più dimensioni
Richiami di dinamica del punto materiale.
Principio d'inerzia: la massa. Secondo e terzo principio della dinamica. Peso e massa. Forze
d'attrito. Lavoro. Lavoro della forza-peso, della forza elastica, della forza gravitazionale.
Teorema dell'energia cinetica. Applicazione alla forza elastica. Potenza media e istantanea.
Conservazione dell'energia.
Forze conservative e non conservative. Energia potenziale e condizioni di equilibrio. Forze
dissipative ed energia interna.
Dinamica dei sistemi di punti materiali.
Moto del centro di massa. Quantità di moto e sua conservazione.
Momento di una forza. Momento angolare e sua conservazione. Equilibrio dei corpi rigidi.
Meccanica dei fluidi
Fluidi ideali, gas, liquidi. La pressione. Leggi di Stevino, Pascal e Archimede. Moto stazionario.
Linee e tubi di flusso. Equazione di continuità: la portata. Teorema di Bernoulli, tubi di Venturi e
Pitot. Dinamica dei fluidi reali: la viscosità. Leggi di Poiseuille e di Stokes: deduzione da
argomenti dimensionali. La tensione superficiale: lamine liquide, formula di Laplace.
Oscillazioni e onde
Oscillatore armonico. Energia del moto armonico. Pendolo semplice. Moto armonico e moto
circolare uniforme.
Onde elastiche, longitudinali e trasversali. Impulsi e treni d'onda. Fronti e raggi. Velocità di fase.
Onde sinusoidali: principio di sovrapposizione, decomposizione di Fourier. Mezzi dispersivi.
Interferenza di due onde. Onde stazionarie su di una corda e nelle cavità. Onde sonore:
infrasuoni e ultrasuoni. Velocità del suono. Intensità del suono.
Termologia e Termodinamica
Equilibrio termico e temperatura. Termometro a gas. Dilatazione termica. Il calore. Equivalenza
lavoro-calore, conduzione del calore. Lavoro nell'espansione di un gas. Primo principio: l'energia
interna. Teoria cinetica dei gas. Calori specifici dei gas perfetti. Gas poliatomici. Trasformazioni
reversibili e irreversibili. Cicli termici. Il ciclo di Carnot: lavoro e rendimento. Secondo
principio: enunciati di Kelvin e di Clausius. Teorema di Carnot. Entropia: processi reversibili e
irreversibili. Entropia nell'espansione libera. Entropia e secondo principio. Potenziali
termodinamici: energia libera di Gibbs e entalpia. Comportamento dei gas reali. Tensione di
vapore. Umidità.
Elettrostatica
Cariche elettriche. Conduttori e isolanti. Conservazione della carica. Legge di Coulomb. Forza
dovuta a più cariche. Il concetto di campo. Il campo elettrico di più cariche. Linee di forza.
Teorema di Gauss. Campo nei conduttori in equilibrio. Potenziale elettrico. Relazione tra campo
e potenziale. Superfici equipotenziali: conduttori in equilibrio. Potenziale dovuto a più cariche.
Condensatori: la capacità, condensatore piano, condensatori in serie e parallelo. Carica di un
condensatore: energia del campo elettrico. Condensatore con dielettrico: la polarizzazione.
Correnti elettriche.
Resistenza e resistività: dipendenza dalla temperatura. Legge di Ohm. Resistenze in serie e
parallelo. Energia e correnti: effetto Joule.
Il campo magnetico e le correnti elettriche.
Definizione di B. Forza di Lorentz. Forza magnetica su una corrente. Forze su una spira: il
galvanometro. Cariche in moto in un campo magnetico. Campo generato da correnti: la legge di
Ampere. Legge di Biot e Savart. Forze tra correnti. Campo B nel solenoide.
Induzione elettromagnetica.
Legge di Faraday. Legge di Lenz. F.e.m. indotta in una spira che trasla. F.e.m. indotta in una
bobina rotante: produzione di tensione alternata sinusoidale. Autoinduzione: il solenoide. Energia
e densità di energia del campo B.
Ottica geometrica e ondulatoria
Proprieta` principali. Spettro delle onde elettromagnetiche. Polarizzazione della luce.
Leggi della riflessione e rifrazione. Dispersione della luce.
Riflessione totale. Specchio piano. Lenti sottili: equazione dei punti coniugati, fuochi e loro
proprietà, lenti convergenti e divergenti, costruzione delle immagini. L'ingrandimento. Strumenti
ottici: la lente d'ingrandimento, il microscopio.
Interferenza e diffrazione.
Principio di Huygens. Esperimento di Young: frange di interferenza. Diffrazione di Fraunhofer e
di Fresnel. Diffrazione ad una fenditura: posizione dei massimi e dei minimi, intensità dei
massimi. Reticolo di diffrazione: ordini di diffrazione e dispersione della luce. Spettroscopio a
reticolo e a prisma. Spettrofotometria: assorbimento della luce e spettri di assorbimento.
Module Program
Physics and Biology
Physics and measurements.
Fundamental quantities and units. Dimensional analysis.
Review of kinematics.
Vector representation of position. Mean and instantaneous velocity. Decomposition of planar
motion. Mean and instantaneous acceleration. Motion under constant acceleration. Relative
motions: tranformation of velocities.
Review of Dynamics .
The law of inertia: the mass. Newton’s second and third laws. Mass and weight. Frictional
forces. The work. Work of weight, elastic and gravitational forces. Work and kinetic energy.
Mean and instantaneous power.
Conservation of energy.
Conservative and non-conservative forces. Potential energy. Potential energy and equilibrium.
Dissipative forces and internal energy.
Dynamics of a system of particles
Motion of the center of mass. Linear momentum and its conservation. Impulse and linear
momentum.
Momentum of a force. Conservation of angular momentum. Equilibrium of a rigid body.
Mechanics of fluids.
IIdeal fluids: gas and liquids. The pressure. The laws of Stevin, Pascal and Archimede. Umanometer. Stationary motion. Lines and flow tubes. Continuity equation. Bernoulli’s theorem,
Venturi and Pitot tubes. The dynamics of real fluids: the viscosity. The laws of Poiseuille and
Stokes from dimensional arguments. Sedimentation and centrifuge. Diffusion: the Fick’s law.
Osmotic pressure. The superficial tension: liquid layers, Laplace’s formula.
. Oscillatory motions and waves
The harmonic oscillator. Energy of an harmonic oscillator. Relation between harmonic and
uniform circular motions.10. Wave motion.
Elastic, longitudinal and trasverse waves. Wave surfaces and rays. Fase velocity. Sinusoidal
waves: superimposition principle, Fourier’s decomposition. Dispersive media. Interference
between two waves. Stazionary waves in strings. Sound: infra- and ultrasounds. Velocity of
sound. Intensity of sound.
Termology and Thermodinamics.
Thermic equilibrium and temperature. Thermal expansion.
The heat. Work-heat equivalence, heat conduction. Work in gas expansion. First law: the internal
energy. Kinetic theorie of the gases. Specific heats of ideal gases: polyatomic gases. Reversible
and irreversible transformations. Thermal cycles. Carnot’s cycle: work and efficiency. The
second law of Thermodinamics: equivalence between Clausius’s and Kelvin’s statements ,
Carnot’s theorem. Entropy: reversible and irreversible transformations. Entropy in gas free
expansion. The entropy and the second law. Thermodinamic potentials: Gibbs free energy G and
enthalpy H. Real gases: vapor pressure, relative humidity
Electrostatics
Electric charges. Insulators and conductors. Conservation of charge. Coulomb’s law. Force of a
set of charges. The electric field. Lines of force. The Gauss’s law. E-field in equilibrium
conductors. Electric potential V. Relation between E and V. Equipotential surfaces: in
equilibrium conductors. Potential of a set of charges. Capacitors: capacitance, parallel-plate
capacitor, capacitors in series and parallel. The energy of electric field E. Capacitor with
dielectric medium: the dielectric polarization.
Direct current.
Resistance and resistivity: temperature variation. Ohm’s law. Resistors series and parallel.
Current and heat: Joule’s effect.
Magnetic field and electric currents.
The B field. Lorentz’s force. Magnetic force on electric current. Force on a loop: the
galvanometer. Motion of charges in magnetic field. B-field due to currents: Ampère’s law. Biot’s
and Savart’s law. Forces between currents. B in a solenoid.
Electromagnetic Induction.
Faraday’s law. Lenz’s law. Induced F.e.m. in moving coil. and in rotating coll: production of
alternating sinusoidal current. Self-induction in solenoid. B-field energy and energy density .
Electromagnetic waves
Characteristics. Spectrum. Polarized light.
Geometric and waves optics.Reflection and refraction. Light dispersion.
Total reflection. Flat mirror. Thin lens: lens formula, properties of focal points, converging and
diverging lens, images, magnification. Optical instruments: magnifying glass, microscope.
Interference and diffraction.
Huygens' principle. Young experiment: fringes of interference. Fraunhofer and Fresnel
diffraction. Slit diffraction: position of maximums and minimums, intensity of maximums.
Diffraction grating.
Dispersion of grating and prisma . Spectroscope. Elements of
spettrophotometry.
Testi / Textbooks
Duncan Fisica per Scienze biomediche asa Editrice Ambrosiana
Bellini G. Manuzio G. Fisica per le Scienze della Vita Piccin
Modalità di svolgimento dell’esame: scritto o orale
Exam: written text or oral presentation
