UNIVERSITA’ degli STUDI di FOGGIA DIPARTIMENTO DI MEDICINA CLINICA E SPERIMENTALE (DEPARTMENT OF CLINICAL AND EXPERIMENTAL MEDICINE) CORSO DI LAUREA MAGISTRALE in “Medicina e Chirurgia” Master Degree Programme: “Medicine and Surgery” a.a. 2013-2014 (academic year 2013-2014) PROGRAMMA D’INSEGNAMENTO DENOMINAZIONE (codice): “Istituzioni di Fisica Applicata alla Medicina” (…..) SUBJECT TITLE: “Fondaments of Physics Applied to Medicine” SSD (Scientific area) FIS/07 CFU (Credits): 7 Anno di corso (Programme year): 2013-2014 Semestre (Academic period): I (dal 01/10/2013 al 20/12/2013) Propedeuticità Prerequisites: ……… Docente (Lecturer): prof. Vito Capozzi Obiettivi formativi: Il corso ha la finalità di far acquisire conoscenze di base di fisica classica e familiarità con il metodo scientifico di indagine, allo scopo di facilitare la comprensione ed i fenomeni fisici alla base di tecniche biomediche diagnostiche e terapeutiche il cui studio sarà approfondito nei corsi specialistici. Objectives: The aim of the Physics course is to acquire basic knowledge of classical physics and familiarity with the scientific methods of investigations, in order to facilitate the understanding of physics phenomena on which some diagnostic and therapeutic medical techniques which will be studied in specialized courses are based. Risultati d’apprendimento attesi: Lo studente dovrà avere una buona comprensione delle principali leggi della Fisica classica, relativamente alla Meccanica, all’Elettromagnetismo ed ai Fenomeni Termici ed Ondulatori, conoscere i più importanti metodo di misura delle grandezze fisiche e le relative unità di misura, saper analizzare i dati derivanti dalle misure e saperli mettere in relazione con le teorie appropriate, saper risolvere vari problemi scientifici, applicando le proprie conoscenze di fisica di base. Expected learning results: The student should have a good knowledge of the main laws of classical physics, relative to the mechanics, electromagnetism and thermal and wave phenomena, he/she will learn about the most important method of measurement of physical quantities and measurements units. He/she will be able to analyze the data resulting from the measurements and to relate them with the appropriate theories, he/she will be able to solve various scientific problems by applying basic knowledge of physics. Organizzazione didattica (Teaching organization): Lezioni ex cathedra (Lectures): CFU (Credits) 7; Ore (Hours): 70 Esercitazioni (Practical activities): CFU (Credits) 1; Ore (Hours): 10. Altre attività formative (Other activities): Strumenti Matematici per la Fisica (Mathematical Methods for Physical Sciences); CFU (Credits) 1; Ore (Hours): 10. Modalità d’erogazione: tradizionale Course modality: traditional Modalità di verifica dell’apprendimento: esame scritto ed orale Examination method: written and oral examination Programma dettagliato: 1. Grandezze fisiche: Introduzione ai fenomeni fisici. Grandezze fisiche e leggi fisiche. Il metodo sperimentale. Concetto di misura e campioni di misura. Unità di misura fondamentali e derivate. Equazione dimensionale. Sistemi di unità di misura: Sistema internazionale e di Gauss. 2. Vettori: Grandezze scalari e vettoriali. Somma e differenza di vettori: metodo geometrico ed algebrico. 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 e loro significato geometrico. Moto rettilineo uniforme. Accelerazione media ed istantanea e loro significato geometrico. Moto rettilineo uniformemente accelerato e relativi grafici dell’accelerazione, velocità e spazio. Caduta dei gravi. Moto bidimensionale: il vettore spostamento, velocità ed accelerazione vettoriali medie e istantanee del moto curvilineo; significato geometrico della velocità istantanea. Moto curvilineo con accelerazione costante. Moto del proiettile, equazione della traiettoria. 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. 4. Dinamica di un punto materiale: La prima legge della dinamica e sistemi di riferimento inerziali. La massa inerziale. Seconda legge della dinamica. Misura di una forza e dinamometro. Differenza tra peso e massa. Misura della massa. Terza legge della dinamica. Forza gravitazionale. Forze d'attrito statico e dinamico. Piano inclinato con attrito. Forza centripeta nel moto curvilineo ed esempi. Forza centrifuga. 5. Lavoro ed Energia: Lavoro di una forza costante e lavoro della forza peso. Lavoro di una forza variabile e della forza elastica. Energia cinetica e teorema della energia cinetica. 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. 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. Equilibrio delle leve. 8. Statica e Dinamica dei fluidi: Stato fluido. Densità e peso specifico. Pressione e le sue varie unità di misura. Legge di Stevin. Misura della pressione: Barometro di Torricelli e manometro a tubo aperto. Principio di Archimede e bilancia idrostatica. Principio di Pascal. Fluidi ideali. Linee di flusso. Portata ed equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni: stenosi e aneurisma. Venturimetro. Fluidi reali. 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. Impulso d’onda e onda periodica. Periodicità nello spazio e nel tempo. Onde sinusoidali. Equazione di onde progressive e regressive. 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. Intensità di un’onda sferica. Riflessione e rifrazione di un’onda. Interferenza di onde periodiche. Onde stazionarie e frequenze armoniche. Onde sonore e sue caratteristiche: tono, timbro e intensità in decibel. Velocità del suono. 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. Trasmissione del calore per conduzione, convezione ed irraggiamento. Diffusione e legge di Fick. 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. Ciclo termodinamico; principio delle macchine termiche e frigoriferi. Rendimento di una macchina termica e coefficiente frigorifero. Ciclo di Carnot e suo rendimento. 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. Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss; applicazioni: campo elettrico prodotto da una distribuzione sferica, lineare e piana di cariche elettriche. 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. Campo elettrico e potenziale di un conduttore carico isolato in equilibrio elettrostatico. 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. Descrizione molecolare dei dielettrici. 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. Generatore di tensione ideale e reale. Forza elettromotrice e caduta di tensione lungo un circuito. Collegamenti di generatori di tensione in serie ed in parallelo. Resistenza equivalente di resistenze collegate in serie e in parallelo. 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. Campo elettrico indotto da variazioni di campo magnetico e differenza tra un campo elettrico indotto e un campo elettrico statico. Ipotesi di Maxwell: campo magnetico indotto da variazioni di campo elettrico. Origine delle onde elettromagnetiche. Proprietà delle onde e.m. e loro velocità. Energia delle onde e.m.. Spettro elettromagnetico. Raggi X. Diffrazione di raggi X e legge di Bragg. 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 e divergenti. Ingrandimento trasversale di una lente. Schematizzazione ottica dell'occhio e lenti correttive per miopia, ipermetropia, presbiopia e astigmatismo. Ingrandimento angolare. Strumenti ottici: lente di ingrandimento e microscopio composto. Teaching programme (summary): Physical quantities and units of measurement. Operations with Vectors. Kinematics and Dynamics of a particle. Work and Energy. Harmonic oscillator. Mechanics of systems of particles. Mechanics of fluids. Wave motion. Thermal phenomena. Thermodynamics. Electrostatic interaction and phenomena. Electric currents. Electromagnetic phenomena. Geometrical Optics. Testi consigliati (Textbooks): J.W. Kane-M.M. Sternheim: “Fisica Applicata”, EMSI. 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). Obblighi di frequenza: SI Class attendance: YES Possibili lingue straniere (Additional foreign languages): Inglese e Francese (English and French).