DIPARTIMENTO DI Scienze Mediche e Chirurgiche
CORSO DI LAUREA in
Medicina e Chirurgia
PROGRAMMA D’INSEGNAMENTO
Istituzioni di Fisica applicata alla Medicina
SSD: FIS/07 CFU: 7
Anno di corso: I Semestre: I
Docente Prof. Vito Giacomo Capozzi
Obiettivi formativi
Il percorso formativo di questo corso si propone di fornire allo studente gli strumenti per una
adeguata comprensione dei fenomeni di Fisica applicata in campo biomedico, nonché gli elementi
necessari per lo studio di altre discipline di base, quali la Biofica, la Chimica, la Fisiologia umana e
Strumentazione di tipo radiologico e diagnostico in generale. Inoltre, il corso si propone di
insegnare la metodologia scientifica per descrivere correttamente i fenomeni fisici di interesse
biomedico.
Risultati d’apprendimento attesi:
La formazione professionale in campo medico si raggiunge anche attraverso la conoscenza
scientifica degli argomenti di base e delle leggi fondamentali della Fisica alla base dei fenomeni di
interesse biomedico. Pertanto, la conoscenza di tali argomenti potrà garantire, al termine del
percorso formativo, la piena padronanza di tutte le necessarie competenze professionali
nell'ambiente di lavoro.
Organizzazione didattica:
Lezioni ex cathedra: 7 CFU, 70 Ore
Modalità d’erogazione: tradizionale
Modalità di verifica dell’apprendimento: esame scritto ed orale
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 ed esempi.
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 ed esempi. 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 pallone idrostatico. Principio di Pascal. Fluidi ideali. Linee di
flusso. Portata ed equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni: stenosi e
aneurisma. Venturimetro.
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 di onde
sinusoidali. Equazione di onde progressive e regressive di onde sinusoidali. 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 sonore e sue caratteristiche: tono, timbro e
intensità in decibel. Velocità del suono. Effetto Doppler.
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 e loro equivalenza. 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. Campo
elettrico 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 nei conduttori ed isolanti. 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.
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.
Testi consigliati:
J. W. Kane, M. M. Sternheim: “Fisica Applicata” (Casa Editrice EMSI, Roma, Edizione Italiana
2012).
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).
Appunti delle lezioni.
Frequenza al corso obbligatoria
Il Docente
Prof. Vito Giacomo Capozzi
