1
Programma del corso di ISTITUZIONI DI FISICA APPLICATA ALLA MEDICINA
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia - Università di Foggia
A.A. 2010/2011 – Prof. V. Capozzi
____________________________________________________________________
1. Grandezze fisiche: Introduzione ai fenomeni fisici. Grandezze fisiche e leggi fisiche. Il metodo
sperimentale. Unità di misura fondamentali e derivate. Equazione dimensionale. Sistemi di unità di
misura: Sistema internazionale e di Gauss. Rappresentazione delle leggi fisiche.
2. Vettori: Grandezze scalari e vettoriali. Somma e differenza di vettori: metodo geometrico ed
analitico. Composizione e scomposizione di un vettore. Prodotto scalare e vettoriale di due vettori.
3. Cinematica: Moto uni-dimensionale e sistemi di riferimento. Velocità media ed istantanea.
Moto rettilineo uniforme. Accelerazione media ed istantanea. Moto rettilineo uniformemente
accelerato e relativi grafici dell’accelerazione, velocità e spazio. Caduta dei gravi. Moto
bidimensionale: il vettore spostamento, velocità ed accelerazione vettoriali del moto curvilineo;
significato geometrico della velocità istantanea. Moto curvilineo con accelerazione costante.
Componenti tangenziale e centripeta dell’accelerazione. Velocità angolare media ed istantanea.
Moto circolare uniforme, accelerazione angolare e accelerazione centripeta. Frequenza e periodo.
Moto circolare uniformemente accelerato. Relazione tra cinematica lineare e rotazionale. Sistemi di
riferimento in moto relativo.
4. Dinamica di un punto materiale: La prima legge della dinamica e sistemi di riferimento
inerziali. La massa inerziale. Seconda legge della dinamica. Misura della forza peso e
dinamometro. Differenza tra peso e massa. Terza legge della dinamica. Forza gravitazionale. Forze
d'attrito statico e dinamico. Piano inclinato con attrito e metodo sperimentale per determinare il
coefficiente di attrito. Forza tangenziale e centripeta nel moto curvilineo. Forza centrifuga.
5. Lavoro ed Energia: Lavoro di una forza costante e variabile. Energia cinetica e teorema della
energia cinetica. Lavoro della forza peso e di una forza elastica. Potenza. Forze conservative:
definizione e loro proprietà. Energia potenziale e relazione tra lavoro ed energia potenziale. Energia
potenziale associata alla forza di gravità ed alla forza elastica. Principio di conservazione
dell'energia meccanica. Forze non conservative. Principio di conservazione dell'energia in presenza
di forze non conservative.
6. Moto oscillatorio: Oscillatore armonico semplice. Equazione del moto ed equazione oraria
dell’oscillatore armonico. Pulsazione, periodo, ampiezza del moto armonico. Velocità ed
accelerazione nel moto armonico. Energia cinetica e potenziale dell’oscillatore armonico.
Oscillatore armonico smorzato; oscillatore armonico forzato e risonanza.
7. Dinamica dei sistemi di particelle: Centro di massa. Eq. del moto del centro di massa. Quantità
di moto di una particella e di un sistema di particelle. Principio di conservazione della quantità di
moto e sue applicazioni. Definizione di urto. Urti elastici unidimensionali. Urti anelastici. Pendolo
balistico. Momento d’inerzia di una particella e di un corpo rigido. Energia cinetica rotazionale di
una particella e di un corpo rigido. Moto rototraslatorio. Momento di una forza. Coppia di forze.
Equazione del moto rotatorio. Momento angolare di una particella e di un sistema di particelle.
Relazione tra momento angolare e momento delle forze agenti su una particella e su un sistema di
particelle. Conservazione del momento angolare. Condizioni di equilibrio di un corpo. Tipi diversi
2
di equilibrio. Equilibrio delle leve. Elasticità dei corpi e legge di Hooke. Deformazioni elastiche:
compressione, trazione, flessione, torsione, scorrimento.
8. Statica e Dinamica dei fluidi: Stato fluido. Densità e peso specifico. Pressione e le sue varie
unità di misura. Legge di Stevin, principio di Archimede e principio di Pascal. Misura della
pressione: Barometro di Torricelli e manometro a tubo aperto. Fluidi ideali. Linee di flusso. Portata
ed equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni: stenosi e aneurisma. Moto
laminare e turbolento. Moto dei liquidi reali e viscosità. Legge di Poiseille. Regime turbolento e
numero di Reynolds.
9. Onde: Moto ondulatorio e propagazione di un’onda. Confronto tra velocità dell’onda e delle
particelle. Onde sinusoidali: frequenza e lunghezza d'onda. Onde longitudinali ed onde trasversali.
Fronte d’onda: onde circolari, onde rettilinee, onde piane, onde sferiche. Energia e potenza
trasportata dalle onde e loro intensità. Riflessione e rifrazione di un’onda. Interferenza di onde.
Onde stazionarie e frequenze armoniche. Onde sonore e sue caratteristiche: tono, timbro e intensità.
Velocità del suono. Interferenza di onde sonore. Effetto Doppler e sue applicazioni: in medicina:
misura della velocità del sangue (eco doppler), sonar ed ecografia.
10. Termologia e leggi dei gas perfetti: Equilibrio termodinamico e concetto di temperatura.
Principio zero della termodinamica. Termometri e scale termometriche di Celsius e di Fahrenheit.
Punto triplo dell’acqua. Dilatazione termica lineare e volumica. Legge di Boyle-Mariotte, legge di
Charles e di Gay-Lussac; scala della temperatura assoluta di un gas. Equazione di stato dei gas
perfetti. Legge dei gas perfetti in termini di molecole. Calore come forma di energia in transito.
Capacità termica, calore specifico e calore specifico molare. Misura del calore specifico.
Esperienza di Joule ed equivalente meccanico del calore. Cambiamenti di stato, calori latenti.
Tensione di vapore e tensione di vapore saturo. Trasmissione del calore e termogrammi.
11.Termodinamica: Trasformazioni termodinamiche reversibili ed irreversibili. Lavoro nelle
trasformazioni termodinamiche. Primo principio della termodinamica. Trasformazioni isocore,
isobare, isoterme ed adiabatiche. Espansione libera. Equazione di Poisson di una trasformazione
adiabatica. Calore specifico molare di un gas perfetto a pressione (Cp) e volume costante (Cv).
Relazione di Mayer. Modello cinetico della pressione. Interpretazione cinetica della temperatura
assoluta ed energia cinetica media molecolare. Energia interna di un gas perfetto. Calcolo di Cv per
un gas monoatomico usando la teoria cinetica dei gas perfetti. Teorema di equipartizione
dell’energia ed applicazione ai gas mono, bi e poliatomici. Ciclo termodinamico; principio delle
macchine termiche e frigoriferi. Rendimento di una macchina termica e coefficiente frigorifero.
Ciclo di Carnot. Teorema di Carnot (solo enunciato). Secondo principio della termodinamica.
Enunciati di Clausius e di Kelvin. Concetto di entropia. Entropia nelle trasformazioni reversibili ed
irreversibili. Calcolo dell’entropia nell’espansione libera. Entropia e II principio della
termodinamica; sua equivalenza con gli enunciati di Clausius e di Kelvin. Entropia e disordine.
12. Elettrostatica: Fenomeni di elettrizzazione e carica elettrica. Elettrizzazione per contatto e per
induzione. Conduttori ed isolanti. Legge di Coulomb. Campo elettrico generato da cariche
puntiformi. Campo elettrico e linee di campo di cariche puntiformi. Principio di sovrapposizione.
Energia potenziale elettrostatica. Potenziale elettrostatico e differenza di potenziale. Analogia tra
potenziale gravitazionale e potenziale elettostatico. Definizione di eV. Relazione tra potenziale e
campo elettrico. Potenziale in un campo elettrico uniforme. Potenziale elettrostatico prodotto da
una o più cariche puntiformi. Energia potenziale elettrostatica di due cariche elettriche puntiformi.
Superficie equipotenziale e sue proprietà. Esempi di superfici equipotenziali. Potenziale generato
da un dipolo elettrico. Momento torcente di un dipolo in un campo uniforme.
3
Campo elettrico e potenziale di un conduttore carico isolato. Induzione elettrostatica totale.
Definizione di capacità e capacità elettrica di un conduttore sferico. Condensatori e capacità di un
condensatore piano. Condensatori collegati in serie e parallelo. Energia elettrostatica di un
condensatore ed energia associata al campo elettrico. Dielettrici in un condensatore. Legge di
Coulomb in presenza di un dielettrico.
13. Correnti elettriche: Definizione di generatore di tensione. Definizione di corrente elettrica.
Densità di corrente. Velocità di deriva e relazione con la densità di corrente. Legge di Ohm.
Resistività elettrica e sua dipendenza dalla temperatura. Conducibilità elettrica. Effetto Joule.
Potenza elettrica in un circuito elettrico. Forza elettromotrice. Resistenza equivalente di resistenze
collegate in serie e in parallelo. Leggi di Kirchhoff. Calcolo della corrente in un circuito con le
leggi di Kirchhoff. Correnti alternate e valori efficaci della tensione e corrente.
14. Elettromagnetismo: Fenomeni magnetici. Campo magnetico e linee di campo magnetico.
Forza magnetica agente su di una corrente elettrica (legge di Laplace). Forza di Lorentz e moto di
una carica elettrica in un campo magnetico uniforme. Spettrometro di massa. Campo magnetico
prodotto da una corrente elettrica rettilinea (legge di Biot-Savart). Forza tra due fili paralleli
percorsi da corrente. Legge di Ampère. Campo magnetico nel solenoide e nel toroide. Flusso
magnetico e legge di Gauss per il campo magnetico. Concetto di induttanza. Induttanza di un
solenoide e di un toroide. Energia associata al campo magnetico. Legge di Faraday dell’induzione
elettromagnetica. Legge di Lenz. Tre modi diversi per indurre una f.e.m.: variazione del campo
magnetico, variazione della superficie attraversata da B, variazione dell’angolo tra B e superficie.
Forza elettromotrice indotta in un conduttore in moto in un campo magnetico uniforme. Misuratore
e.m. della velocità del sangue. Fenomeno dell’autoinduzione. Mutua induzione e trasformatore
elettrico. Differenza tra un campo elettrico indotto e un campo elettrico statico. Ipotesi di Maxwell.
Origine delle onde elettromagnetiche. Proprietà delle onde e.m. e loro velocità. Energia delle onde
e.m.. Spettro elettromagnetico.
15. Ottica geometrica: Riflessione della luce su superfici piane e scabre. Leggi della riflessione.
Rifrazione della luce. Indice di rifrazione e legge di Snell. Riflessione totale ed angolo limite. Fibre
ottiche. Lenti sottili convergenti e divergenti e potere diottrico. Fuochi e costruzione dell'immagine
di una lente. Equazioni delle lenti sottili convergenti, divergenti e ingrandimento. Schematizzazione
ottica dell'occhio e lenti correttive per miopia, ipermetropia, presbiopia e astigmatismo. Strumenti
ottici: lente di ingrandimento e microscopio composto.
Testi consigliati:
F. Bersani, S. Bettati, P.F. Biagi, V. Capozzi, L. Feroci, M. Lepore, D.G. Mita, I. Ortalli,
G. Roberti, P. Viglino, A. Vitturi: “Fisica Biomedica” (Casa Editrice Piccin, Padova).
J. W. Kane, M. M. Sternheim: “Fisica Biomedica” (Casa Editrice EMSI, Roma).
Appunti delle lezioni.
