Fisica Generale

Classe delle lauree in:
Ingegneria Industriale (L9)
Tipo di attività
formativa:
Base
Titolo dell’insegnamento:
Fisica Generale
Ambito disciplinare:
Fisica e Chimica
Codice
dell’insegnamento:
2022
Corso di laurea in:
Ingegneria Elettrica
Settore scientifico disciplinare:
Fisica Sperimentale (FIS/01)
Anno Accademico:
2013 - 2014
CFU:
12
Tipo di insegnamento:
Obbligatorio
Anno:
primo
Semestre:
I e II
DOCENTE:
prof. IASELLI Giuseppe, dott. MY Salvatore
ARTICOLAZIONE IN TIPOLOGIE DIDATTICHE:
Il corso comprende 120 ore di lezioni teoriche e di esercitazioni numeriche.
PREREQUISITI:
L’insegnamento presuppone familiarità con gli elementi basilari della trigonometria, della geometria elementare e
dell’analisi matematica
OBIETTIVI FORMATIVI:
Maturazione di concetti basilari della Fisica Generale e loro trattazione col linguaggio dell’analisi matematica, del
calcolo vettoriale e integrale. Acquisizione della metodologia scientifico - tecnica necessaria per affrontare in termini
quantitativi i problemi di fisica. Una parte del corso sarà dedicata ad esercitazioni in aula.
CONTENUTI:
MODULO I
MECCANICA
1. La misura in Fisica: Grandezze fisiche, campioni ed unità di misura. Precisione e cifre significative. Analisi
dimensionale.
2. Cinematica del punto materiale: Introduzione. Moto unidimensionale o rettilineo: equazione oraria, velocità e
accelerazione media e istantanea. Esempi di Moto unidimensionale: Moto verticale di un corpo, moto armonico
semplice e smorzato. Velocità e accelerazione in funzione della posizione. Moto relativo unidimensionale. Moto nel
piano: concetto di traiettoria, ascissa curvilinea, centro e raggio di curvatura. Vettori posizione, velocità e
accelerazione. Componenti cartesiane, polari, tangenziali e normali alla traiettoria della velocità e dell’accelerazione.
Moto in 3 dimensioni o nello spazio. Esempi di moto piano: velocità e accelerazione angolare. Moto circolare e
relazioni vettoriali tra r, v, a, ω, α. Moto dei gravi.
3. Dinamica del punto materiale: Interazioni fondamentali. Principio di inerzia e introduzione al concetto di forza.
Sistemi di riferimento inerziali. Leggi di Newton. Quantità di moto e impulso. Esempi di forze: forza peso, elastica,
di attrito statico e dinamico, reazioni vincolari, tensioni. Pendolo semplice e conico. Energia cinetica, Lavoro,
Potenza. Lavoro e variazione dell’energia cinetica. Forme differenziali esatte. Forze conservative. Energia potenziale
e conservazione dell’energia meccanica. Lavoro delle forze non conservative e principio di conservazione
dell’energia. Analisi dei diagrammi di energia potenziale. Momento della quantità di moto. Momento di forza.
Teorema del momento angolare.
4. Moti relativi: sistemi di riferimento in moto relativo traslatorio, rotatorio, roto-traslatorio. Teorema delle velocità
relative. Teorema di Coriolis. Sistemi di riferimento non inerziali. Forze apparenti. Principio di relatività Galileiana.
5. Dinamica dei sistemi di punti materiali: Forze esterne ed interne. Centro di massa. I e II equazione cardinale del
moto. Conservazione della quantità di moto e del momento angolare. Condizioni di equilibrio. Proprietà del centro
di massa. Sistema CM. Teoremi di König. Lavoro ed energia cinetica. Energia potenziale. Riduzione di sistemi di
forze applicate. Baricentro.
6. Dinamica del corpo rigido: Definizione e proprietà dei corpi rigidi. Densità e posizione del centro di massa. Moto
di un corpo rigido. Corpo rigido in rotazione attorno ad un asse fisso: energia cinetica, momento angolare e
momento di inerzia. Assi principali di inerzia. Teorema di Huygens-Steiner. Pendolo composto. Asse istantaneo di
rotazione. Impulso angolare e momento dell’impulso. Moto di puro rotolamento. Corpo rigido libero. Equazioni
cardinali del moto. Teoremi di König. Equilibrio statico del corpo rigido.
7. Urti: Forze impulsive. Urti in sistemi isolati/non isolati. Urti elastici e anelastici. Applicazione ai sistemi di due
particelle. Urti centrali. Urti tra punti materiali e corpi rigidi. Urti con corpi rigidi liberi/vincolati.
8. Oscillazioni: Equazione differenziale dell’oscillatore armonico e sue proprietà. Energia dell’oscillatore armonico.
Somma di moti armonici. Oscillatore armonico forzato e smorzato.
9. Campi di forze centrali: Proprietà e leggi di conservazione. La forza gravitazionale. Massa inerziale e
gravitazionale. Legge di gravitazione universale. Campo e potenziale gravitazionale. Moto di un corpo soggetto alla
forza gravitazionale. Leggi di Keplero.
ELEMENTI DI TERMODINAMICA STATISTICA
1. Sistemi termodinamici. Variabili microscopiche e macroscopiche. Gas perfetti. Energia cinetica molecolare e
temperatura. Energia interna di un gas perfetto. Energia interna e Lavoro. Sistemi statistici: calore e lavoro.
Equilibrio statistico. Distribuzione di maxwell Boltzmann. Definizione statistica di Temperatura. Distribuzione in
velocità ed energia delle Molecole di un gas perfetto. Equilibrio termico. Entropia e probabilità (Legge di Nernst).
MODULO II
ELETTROSTATICA
1. Forza elettrostatica e campo: Carica elettrica. Struttura elettrica della materia. Forza di Coulomb. Campo
elettrostatico. Linee di forza del campo Elettrostatico. Moto di una carica in campo elettrostatico. Sistemi di cariche
puntiformi. Esperienza di Millikan.
2. Lavoro elettrico e Potenziale Elettrostatico: Lavoro della forza elettrica. Potenziale elettrostatico. Energia
potenziale elettrostatica. Il campo come gradiente del potenziale. Superfici equipotenziali. Dipolo elettrico e forza su
un dipolo elettrico.
3. Legge di Gauss: Flusso del campo elettrostatico. Teorema di Gauss. Applicazioni e conseguenze del Teorema di
Gauss.
4. Conduttori e Dielettrici: Corpi conduttori in equilibrio elettrostatico. Conduttore cavo e schermo elettrostatico.
Capacità conduttori isolati. Induzione completa fra 2 conduttori: condensatori. Sistemi di condensatori in serie e
parallelo. Energia del campo elettrostatico. Dielettrici. Costante dielettrica. Polarizzazione. Equazioni generali
dell’elettrostatica in presenza di dielettrici.
5. Corrente elettrica: Conduzione elettrica. Corrente elettrica e corrente elettrica stazionaria. Densità di corrente j.
Legge di Ohm e concetto di resistenza elettrica. Potenza elettrica ed effetto Joule. Modello classico della conduzione
elettrica. Forze elettromotrici. Sistemi di resistori in serie e parallelo. Corrente di Spostamento. Cenno sulle leggi di
Kirchhoff per le reti elettriche.
MAGNETOSTATICA
1. Campo magnetico e Forza magnetica: Interazione magnetica. Campo magnetico. Correlazioni fra elettricità e
magnetismo. Forza magnetica su una carica in moto. Forza magnetica su un conduttore percorso da corrente.
Momenti magnetici meccanici sui circuiti piani. Effetto Hall. Moto di una particella carica in un campo magnetico
con esempi di calcolo.
2. Sorgenti del campo magnetico e legge di Ampère: campo magnetico prodotto da una corrente. Calcoli di campi
magnetici prodotti da circuiti particolari. Azioni elettrodinamiche tra fili percorsi da corrente. Legge di Ampère.
3. Magnetismo nella materia: proprietà magnetiche della materia. Permeabilità e suscettività magnetica. Meccanismi
di magnetizzazione e correnti amperiane. Teorema di Gauss per il campo magnetico. Equazioni della magnetostatica
in presenza di mezzi magnetizzati.
CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI VARIABILI NEL TEMPO
1. Legge di Faraday. Induzione elettromagnetica. Origine del campo magnetico e della fem indotta. Applicazioni
della legge di Faraday. Autoinduzoione. Energia Magnetica. Mutua Induzione.
2. Legge di Ampère-Maxwell. Equazioni di Maxwell.
METODI DI INSEGNAMENTO:
Lezioni ed esercitazioni numeriche in aula supportate da PC portatile e proiettore; chiarimenti a richiesta forniti dal
docente; esercizi da svolgere “a casa”
CONOSCENZE E ABILITÀ ATTESE:
Al termine del corso gli allievi conosceranno le leggi fondamentali della fisica classica e le loro applicazioni alla
risoluzione di problemi
SUPPORTI ALLA DIDATTICA:
PC portatile e proiettore; libro di testo e per la parte di termodinamica statistica appunti in formato elettronico (.pdf)
redatti dal docente.
CONTROLLO DELL’APPRENDIMENTO E MODALITÀ D’ESAME:
L'esame prevede una prova scritta integrata con una prova orale.
TESTI DI RIFERIMENTO PRINCIPALI:
• P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci. Elementi di Fisica, vol. 1 e 2, Ed. EdiSES, Napoli.
• D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. Fondamenti di Fisica, ed. Ambrosiana, Milano.
ULTERIORI TESTI SUGGERITI:
Su richiesta.
Degree class:
First level (three year) degree:
Academic year:
Industrial engineering
Eletrical engineering
2013 - 2014
Type of course
Disciplinary area:
Scientific Discipline Sector:
ECTS Credits:
Basic
Physics and Chemistry
Physics (FIS/01)
12
Title of the course:
Code:
Type of course:
Year:
Semester:
Physics
2022
Compulsory
1st
1st and 2nd
LECTURER:
prof. IASELLI Giuseppe, dott. MY Salvatore
HOURS OF INSTRUCTION
120 hours of in-class lectures and numerical applications.
PREREQUISITES:
Knowledge of basics of trigonometry, elementary geometry and mathematical analysis.
AIMS:
Understanding of basic concepts in Classical Physics and numerical application. Learning of a scientific methodology to
solve numerically simple physical systems.
CONTENTS:
1st MODULE
MECHANICS
1. The measure in Physics: Physical quantities, measurement and units. Precision of a measurement. Dimensional
analysis.
2. Classical kinematics: Introduction. Motion in one dimension. Speed, velocity and acceleration. Average and
instantaneous quantities. Examples of straight-line kinematics: vertical motion of a body, motion of falling bodies,
simple and damped harmonic motion. Velocity and acceleration as a function of position. One-dimensional relative
motion. Two-dimension kinematics: the concept of trajectory. Position, velocity and acceleration in two dimensions.
Circular motion and relations between vector r, v, a ω, α.
3. Dynamics of material point: The fundamental interactions. Principle of inertia and introduction to the nature of
forces. Inertial reference systems. Newton's laws. Momentum and impulse. Conservation of momentum.
Classification of forces: weight, elastic force, static and dynamic friction, reaction and tensions. Simple and conical
pendulum. Work and energy. Conservative forces. Potential energy and conservation of mechanical energy. Nonconservative forces. Analysis of potential energy diagrams. Momentum of force. Angular Momentum. Conservation
of angular momentum.
4. Relative motion: Frames of reference. The Galilean transformations.. Non-inertial reference systems. Apparent
forces. Coriolis theorem.
5. Dynamics of systems: External and internal forces. Center of mass. Properties of the center of mass. Cardinal
equations of dynamics. Conservation of momentum and angular momentum. König's theorem. Work and energy for
a system energy. Potential energy. Conditions for static equilibrium.
6. Dynamics of a rigid body: Definition and properties of rigid bodies. The center of mass of a rigid body. Motion of a
rigid body. Rigid body rotating around a fixed axis: kinetic energy, angular momentum and moment of inertia.
Principal axes of inertia. Huygens-Steiner theorem. Compound pendulum. Pure rolling motion. Static equilibrium of
rigid bodies.
7. Collision: Impulsive forces. Elastic and inelastic collisions. Conservation of energy and momentum. Application to
a systems of two particles. Central collisions. Collisions between material points and rigid bodies.
8. Oscillations: Differential equation for the harmonic oscillator and its properties. Energy of the harmonic oscillator.
Sum of harmonic motions. Forced and damped harmonic oscillators.
9. Central forces: Definition and properties of central forces. The gravitational force. Inertial and gravitational mass.
Law of universal gravitation. Field and gravitational potential. Motion of a body subject to gravitational force.
Kepler's laws.
ELEMENTS OF STATISTICAL THERMODYNAMICS
1. Thermodynamic of multy-particle systems: Microscopic and macroscopic variables. Ideal gas. Molecular kinetic
energy and temperature. Internal energy of a ideal gas. Statistical systems: heat and work. Statistical equilibrium.
Maxwell Boltzmann distribution. Statistical definition of temperature. Distribution in velocity and energy of the
molecules of an ideal gas. Thermal equilibrium. First law of thermodynamics. Entropy and probability (Nernst's
law). Second law of thermodynamics.
2nd MODULE
ELECTROSTATIC
1. Electrostatic force and field: Electric charge. Electrical structure of matter. Coulomb force. Electrostatic field.
Electrostatic field lines of force. Motion of a charge in electrostatic field. Systems of point charges. Millikan
experience.
2. Work and electrostatic potential: Work of electrostatic force. Electrostatic potential. The field as a gradient of
potential. Equipotential surfaces. Electric dipole and strength of an electric dipole.
3. Gauss's law: Flux of the electrostatic field. Gauss theorem. Applications and implications of Gauss theorem.
4. Dielectrics and conductors: Conductors in electrostatic equilibrium. Electrostatic shield. Capacity of isolated
conductors. Capacitance and capacitors. Capacitors in series and parallel. Energy of the electrostatic field.
Dielectrics. Polarization. General equations of the electrostatic in the presence of dielectrics.
5. Ohm’s law: Classical model for electrical conduction. Current density j. Ohm's law and electrical resistance.
Connection of resistors in series and parallel. The Joule effect. Electromotive forces. Kirchhoff's laws for electrical
networks.
MAGNETOSTATICS
1. Magnetic field and magnetic force: Magnetic interaction. Magnetic field. Correlations between electricity and
magnetism. Magnetic force on a moving charge. Motion of a charged particle in a magnetic field with examples of
calculation Magnetic force on a current-carrying conductor. Magnetic moments on the mechanical circuit. Hall
effect.
2. Sources of magnetic field and Ampere's law: The magnetic field produced by a current. Calculations of magnetic
fields produced by special circuits. Forces between the current carrying wires. Ampere's Law.
3. Magnetism in matter: Magnetic properties of matter. Permeability and magnetic susceptibility. Mechanisms of
magnetization and amperiane current. Gauss theorem for the magnetic material. Equations of magnetostatics in the
presence of magnetized media.
ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS IN TIME VARIABLES
1. Faraday's law: Electromagnetic induction. Applications of Faraday's law. Autoinduction. Magnetic Energy. Mutual
Induction. Maxwell-Ampere's Law. Maxwell's equations.
TEACHING METHODS:
Lectures and numerical exercises supported by laptop and projector; on request clarifications provided by the teacher;
exercises to be done "at home"
EXPECTED OUTCOME AND SKILL:
At the end of the course students will know the basic laws of classical physics and their applications to solve simple
physical cases.
TEACHING AIDS:
Laptop and projector, textbook and, for the statistical thermodynamics, notes in electronic format (. Pdf) prepared by the
teacher
EXAMINATION METHOD:
The exam includes a written test supplemented by an oral
BIBLIOGRAPHY:
1. P. Mazoldi, M. Nigro, C. Voci. Elementi di Fisica, vol. 1 e 2, Ed. EdiSES, Napoli.
2. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. Fondamenti di Fisica, ed. Ambrosiana, Milano.
FURTHER BIBLIOGRAPHY:
Upon request.