Insegnamento FISICA
| Nome del corso di laurea | Biotecnologie |
|---|---|
| Codice insegnamento | GP000517 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| CFU | 6 |
| Regolamento | Coorte 2022 |
| Erogato | Erogato nel 2022/23 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Base |
| Ambito | Discipline matematiche, fisiche, informatiche e statistiche |
| Settore | FIS/03 |
| Anno | 1 |
| Periodo | Secondo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Suddivisione |
FISICA - Canale A
| Codice | GP000517 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Luca Gammaitoni |
| Docenti |
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| Ore |
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| Attività | Base |
| Ambito | Discipline matematiche, fisiche, informatiche e statistiche |
| Settore | FIS/03 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | Il metodo sperimentale, grandezze e unità di misura. Elementi di meccanica, elettricità e magnetismo. Elementi di metodi di misura e analisi degli errori. |
| Testi di riferimento | Walker, Fondamenti di Fisica (Casa Editrice Pearson) |
| Obiettivi formativi | Lo studente deve acquisire conoscenze di base su dinamica del punto materiale, statica e dinamica dei fluidi, elettricità, magnetismo e teoria degli errori. Le lezioni forniscono le basi teoriche relative agli argomenti trattati. Alcuni esercizi numerici proposti sono dedicati a rendere lo studente autonomo nel trovare le migliori soluzioni ed acquisire la manualità per le valutazioni numeriche. |
| Prerequisiti | Pre-requisiti essenziali. Nozioni di base di algebra, manipolazione delle espressioni numeriche e letterali, soluzione di equazioni di I e II grado. Nozioni di base di analisi matematica: funzioni elementari quali polinomi, funzioni trigonometriche, esponenziali, logaritmi. Pre-requisiti importanti. Nozioni di base di analisi matematica: derivate delle funzioni elementari, regole di derivazione delle funzioni composte, concetto di integrale e integrali di funzioni elementari. Nozioni di base di calcolo vettoriale: concetto di vettore, prodotto scalare e prodotto vettoriale. |
| Metodi didattici | Tutto il programma viene svolto con lezioni frontali. Allo scopo permettere agli studenti di acquisire la metodologia per risolvere specifici problemi, vengono proposti in aula esercizi che vengono risolti dal docente coinvolgendo gli studenti nel processo di soluzione e nella procedura di escuzione dei calcoli specifici. |
| Altre informazioni | I risultati dei compiti scritti ed esercizi tipo sono disponibili sulla piattaforma UniStudium |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | La valutazione avviene tramite una prova scritta. Ogni prova scritta è composta da 23 domande, consistenti in quesiti teorici ed esercizi numerici. Le domande spaziano sull'intero programma del corso. Durante la prova scritta è consentito usare solo il foglio contenente il testo dell'esame, i fogli protocollo messi a disposizione dal docente, una calcolatrice. Non è consentito l'utilizzo di telefoni cellulari, appunti, libri di testo. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | Introduzione al corso ed informazioni pratiche. La fisica e il metodo sperimentale. Grandezze fisiche e unità di misura. Sistema Internazionale. Equazioni dimensionali. Metodi di misura: misure dirette ed indirette. Errori sistematici, errori statistici, sensibilità strumentale. Valore medio come migliore stima di una grandezza misurata. Varianza, deviazione standard e deviazione standard della media. Distribuzione di misure ripetute intorno al valor medio. Misure di conteggi, distribuzione poissoniana e deviazione standard. Errori casuali ed indipendenti, distribuzione gaussiana, deviazione standard ed intervalli di confidenza. Propagazione degli errori. Casi notevoli: somma e differenza, prodotto e quoziente. Propagazione in quadratura per errori indipendenti e casuali. Grandezze fisiche scalari e vettoriali. Richiami di calcolo vettoriale. Cinematica del punto. Velocità media e velocità istantanea. Accelerazione media e accelerazione istantanea. Leggi orarie di moto rettilineo uniforme e moto rettilineo uniformemente accelerato. Le cause del moto. Massa, secondo principio della dinamica e definizione di forza. Problema generale della dinamica. Moto sotto l'azione di una forza elastica. Definizione di lavoro. Lavoro nel caso di forza costante. Considerazioni ed esempi su lavoro motore, lavoro resistente, lavoro nullo. Unità di misura del lavoro. Definizione generale di lavoro nel caso di forza variabile. Definizione di potenza e sua unità di misura. Teorema delle forze vive e definizione di energia cinetica. Esempio di applicazione del teorema delle forze vive ad un corpo sotto l'azione della forza peso lungo tre percorsi notevoli. Lavoro compiuto da alcune forze notevoli lungo un percorso chiuso: forza peso, forza elastica, forza di attrito. Forze conservative e non conservative. Definizione di energia potenziale. Definizione di energia meccanica e conservazione dell'energia meccanica. Quantità di moto di un punto materiale. Urti. Principio di conservazione della quantità di moto. Moti rotazionali. Momenti angolari e dinamica rotazionale. Conservazione del momento angolare. Moti periodici, pendolo, oscillatore armonico. Equazione del moto e sua soluzione. Fluidi. Densità e pressione in un fluido. Equazione di continuità. Portata. Equazione di Bernoulli ed alcune sue conseguenze: paradosso idrostatico, forza di Archimede, effetto Venturi. Moto ondulatorio nei mezzi materiali. Il suono. Onde. Fenomeni elettrostatici. Forze elettriche e cariche elettriche. Struttura elettrica microscopica della materia e dell'atomo. Additività della carica elettrica. Isolanti e conduttori. Legge di Coulomb. Costante dielettrica del vuoto e costante dielettrica relativa. Confronto tra forza coulombiana e forza gravitazionale. Campo elettrico. Principio di sovrapposizione (additività di forza e campo elettrici). Esercizio sul principio di sovrapposizione: campo di un dipolo elettrico. Flusso di un vettore attraverso una superficie. Angolo solido. Teorema di Gauss. Alcune applicazioni del teorema di Gauss: campo di una sfera isolante uniformemente carica, campo di un piano uniformemente carico, campo di un doppio piano carico. Lavoro della forza elettrostatica di una carica puntiforme. Circuiti elettrici. Energia potenziale elettrostatica. Potenziale elettrico. Energia potenziale e potenziale elettrico di un condensatore piano. Elettrostatica dei conduttori. Forza elettromotrice e corrente elettrica. Legge di Ohm, resistenza e conducibilità. Resistenze in serie e in parallelo. Effetto Joule. Resistività. Corrente alternata e potenza efficace. Fenomeni magnetici elementari. Esperimenti di Oersted e Ampère. Forza di Lorentz. Campo di induzione magnetica. Moto di una particella carica in campo magnetico uniforme. Spettrometro di massa. Legge di Biot e Savart. Permeabilità magnetica del vuoto e permeabilità magnetica relativa: diamagneti, paramagneti, ferromagneti. Legge di Ampere. Campo di una spira percorsa da corrente e momento magnetico. Campo di un solenoide. Fenomeno di induzione magnetica e legge di Faraday. Equazioni di Maxwell. Circuiti in corrente alternata. Induttanza, capacità, resistenza. Onde elettromagnetiche. La radio. |
FISICA - Canale B
| Codice | GP000517 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Silvia Corezzi |
| Docenti |
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| Ore |
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| Attività | Base |
| Ambito | Discipline matematiche, fisiche, informatiche e statistiche |
| Settore | FIS/03 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | 1) Introduzione al metodo sperimentale 2) Introduzione all'analisi degli errori nella misura di grandezze fisiche 3) Elementi di meccanica: cinematica e dinamica del punto materiale 4) Elementi di elettrostatica e magnetostatica 5) Fluidi statici e in movimento |
| Testi di riferimento | 1) FISICA GENERALE-Principi e applicazioni Autore: Alan Giambattista 3a Edizione italiana a cura di P. Mariani, A. Orecchini, F. Spinozzi McGraw-Hill (2021), ISBN 9788838699368 2) Dispense didattiche fornite dal docente |
| Obiettivi formativi | Il Corso di FISICA si prefigge di sviluppare competenze scientifiche di base propedeutiche ad altre attività previste dal corso di studi, fornendo agli studenti: (1) conoscenza dei principi generali della fisica necessari alla comprensione dei principali fenomeni osservabili a livello macroscopico nel mondo che ci circonda e a livello molecolare nei sistemi e nei processi biologici; (2) le basi di conoscenza per applicare in modo consapevole il metodo scientifico alle attività sperimentali che saranno affrontate nel percorso di formazione universitaria. Le principali conoscenze acquisite saranno: (1) le leggi fondamentali che regolano il moto, i fenomeni elettrici e magnetici, e il comportamento statico e dinamico dei fluidi; (2) i principi su cui si basa la stima delle incertezze nella misura di grandezze fisiche. Le lezioni forniscono le basi teoriche relative agli argomenti trattati, e saranno affiancate da esercizi numerici e concettuali proposti in aula. Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: (1) capacità di risolvere esercizi numerici e concettuali, identificando autonomamente le migliori strategie di soluzione; (2) acquisizione della manualità necessaria per le valutazioni numeriche; (3) superamento dell'apprendimento nozionistico delle informazioni, sviluppo della capacità di ragionamento logico, capacità di sviluppare collegamenti e ragionamenti autonomi utili all'applicazione delle conoscenze fisiche ai sistemi e processi biologici. |
| Prerequisiti | Pre-requisiti essenziali: (1) nozioni di base di algebra e geometria; (2) manipolazione delle espressioni numeriche e letterali, (3) soluzione di equazioni di I e II grado; (4) nozioni di trigonometria. Pre-requisiti importanti: (1) nozioni di base di analisi matematica: concetto di derivata, derivate di funzioni elementari, regole di derivazione di funzioni composte, concetto di integrale, integrali di funzioni elementari. (2) nozioni di base di calcolo vettoriale: concetto di vettore, prodotto scalare e prodotto vettoriale. |
| Metodi didattici | Il corso di FISICA viene svolto con lezioni frontali in aula. Per permettere agli studenti di apprendere la metodologia di risoluzione di specifici problemi, vengono proposti in aula esercizi risolti dal docente coinvolgendo gli studenti nella ricerca della corretta strategia risolutiva e nella procedura di esecuzione dei calcoli. Sulla piattaforma Unistudium verranno rese disponibili brevi dispense preparate dal docente. Potranno inoltre essere scaricate raccolte di esercizi relative alle varie parti del programma, comprensive di esercizi svolti con spiegazione dettagliata del procedimento risolutivo e richiamo alle nozioni teoriche impartite durante le lezioni in aula. |
| Altre informazioni | La frequenza delle lezioni è facoltativa ma fortemente consigliata. Lo studio e il superamento dell'esame di Analisi, pur non essendo obbligatorio, facilita la comprensione del senso fisico di alcuni concetti utilizzati nel corso di Fisica. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | La modalità di verifica consiste in una prova scritta che si svolgerà sulla piattaforma telematica LibreEOL. La prova consiste nella risoluzione di circa 30 esercizi, di cui almeno un terzo di carattere concettuale/teorico e i rimanenti due terzi di carattere numerico, con risposte a scelta fra 5 possibili, delle quali sono una è quella corretta. Gli argomenti degli esercizi coprono l'intero programma del corso. La risposta ad ogni quesito viene accettata solo se lo studente ha lasciato traccia del modo in cui è riuscito ad individuare la risposta corretta. Ad ogni esercizio è associato lo stesso punteggio. Le risposte sbagliate sono valutate con punteggio nullo. La prova si intende superata se il punteggio totale ottenuto è non inferiore a 18/30. Durante la prova scritta è consentito usare solo fogli bianchi, gli strumenti di scrittura e la calcolatrice scientifica. Non è consentito l'utilizzo di appunti, libri di testo o qualunque altra fonte informativa (cartacea, telematica, elettronica, multimediale o simili) o il ricorso a forme di assistenza o a comunicazioni interpersonali. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | - INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLA FISICA Il metodo scientifico. La misura in fisica. Il Sistema Internazionale (SI) delle unità di misura. Multipli e sottomultipli. Analisi dimensionale. - INTRODUZIONE ALL'ANALISI DEGLI ERRORI La misurazione. Metodi di misura: misure dirette e misure indirette. La misura e l’inevitabilità degli errori. Come rappresentare gli errori: notazione; cifre significative; errore relativo. Precisione e accuratezza. Tipi di errore sperimentale: errori di risoluzione strumentale, errori casuali, errori sistematici. Stima degli errori di risoluzione strumentale. Stima degli errori nelle misure ripetibili. Analisi statistica degli errori casuali: valore medio come migliore stima del "valore vero" di una grandezza misurata; deviazione standard dalla media come migliore stima dell’incertezza della singola misura (con livello di confidenza del 68%); deviazione standard della media (o errore standard) come migliore stima dell’incertezza del valor medio (con livello di confidenza del 68%). Distribuzione Gaussiana intorno al valor medio di misure ripetute nel caso di errori casuali ed indipendenti. Come utilizzare gli errori: valutare la consistenza o la discrepanza di un valore misurato di una grandezza fisica con un valore accettato o con il risultato di altre misure; stimare l’incertezza nelle misure indirette. La propagazione degli errori: somme e differenze; prodotti e quozienti; prodotto per una quantità nota; elevamento a potenza. Stima del limite superiore per l'errore propagato. Migliore stima dell'errore propagato nel caso di misure affette da errori indipendenti e casuali. - I VETTORI E LE OPERAZIONI SUI VETTORI Grandezze scalari e grandezze vettoriali in fisica. Rappresentazione grafica di un vettore. Identificazione di un vettore mediante le sue componenti rispetto a un sistema di riferimento cartesiano. Il versore. La scomposizione di un vettore in vettori componenti. Elementi di calcolo vettoriale: somma di vettori, prodotto di un vettore per uno scalare, prodotto scalare, prodotto vettoriale. - CINEMATICA: COME SI MUOVONO LE COSE? Il concetto di moto. Il concetto di traiettoria. La descrizione del moto attraverso la variazione nel tempo del vettore posizione. La descrizione del moto attraverso la variazione nel tempo delle componenti del vettore posizione lungo gli assi del sistema di riferimento scelto per l'osservazione del moto. Il moto nel piano e nello spazio come composizione di moti rettilinei: ogni moto reale nello spazio fisico può essere ricondotto allo studio di moti rettilinei unidimensionali, quelli dei punti che proiettano il corpo sugli assi cartesiani scelti per la descrizione del moto. Vettore velocità media e vettore velocità istantanea. Il vettore velocità istantanea espresso in un sistema di ascisse curvilinee lungo la traiettoria del moto (coordinate intrinseche). Il concetto di velocità scalare. Vettore spostamento complessivo, spostamento complessivo lungo la traiettoria, e spazio percorso lungo la traiettoria. Vettore accelerazione media e vettore accelerazione istantanea. Componente tangenziale e componente centripeta dell’accelerazione. La cinematica del moto rettilineo: legge oraria e diagramma orario; come leggere il diagramma orario; come risalire dalla velocità alla posizione; come risalire dall'accelerazione alla velocità. La cinematica di alcuni moti rettilinei particolari: il moto rettilineo uniforme e il moto rettilineo uniformemente accelerato; rappresentazione grafica delle leggi cinematiche. Approccio alla risoluzione di problemi relativi allo studio cinematico del moto nel piano. Esempio di moto uniformemente accelerato verso il basso: il moto di caduta libera di un corpo in prossimità della superficie terrestre. Casi di studio: moto unidimensionale di caduta libera verticale; moto bidimensionale di caduta libera di un corpo lanciato; moto bidimensionale di caduta non-libera. La cinematica del moto circolare: descrizione del moto circolare mediante ascissa curvilinea lungo la traiettoria; descrizione del moto circolare mediante posizione angolare, velocità angolare, accelerazione angolare. Moto circolare uniforme e uniformemente accelerato. Periodo e frequenza del moto circolare uniforme. - DINAMICA: PERCHE' SI MUOVONO LE COSE? Il concetto di forza. Le leggi della dinamica: il principio di inerzia; la legge di Newton; il principio di azione e reazione. Il principio di sovrapposizione (o principio di indipendenza delle azioni simultanee). Riconoscere e descrivere le forze: forza gravitazionale e forza peso; forze di reazione vincolare (tensione di un filo; reazione normale di un piano di appoggio e “sensazione” di peso); forza elettrostatica (la carica elettrica; la legge di Coulomb; struttura elettrica della materia a livello microscopico; quantizzazione della carica elettrica e carica elettrica elementare; principio di conservazione della carica elettrica); forza elastica (il moto armonico semplice sotto l’azione di una forza elastica); forza di attrito statico; forza di attrito dinamico; forza di attrito viscoso (concetto di velocità limite); forza di attrito non-viscoso. - LAVORO ED ENERGIA Definizione di lavoro: (i) lavoro infinitesimo compiuto da una forza in corrispondenza di uno spostamento infinitesimo del corpo su cui agisce; (ii) lavoro di una forza in corrispondenza di uno spostamento finito del corpo su cui agisce (iii) lavoro totale compiuto dalle forze agenti su un corpo. Lavoro motore e lavoro resistente. Rapidità con cui una forza compie lavoro: potenza istantanea e potenza media. Calcolo del lavoro compiuto dalla forza peso ed espressione dell'energia potenziale relativa alla forza peso. Calcolo del lavoro compiuto dalla forza elastica ed espressione dell'energia potenziale elastica. Calcolo del lavoro compiuto dalla forza gravitazionale ed espressione dell'energia potenziale gravitazionale. Calcolo del lavoro compiuto dalla forza elettrica su una carica puntiforme, ed espressione dell'energia potenziale elettrica di una carica puntiforme. Calcolo del lavoro compiuto dalla forza di attrito dinamico. Lavoro della forza di reazione normale sviluppata da un piano di appoggio e lavoro della forza di tensione in un pendolo semplice. Forze conservative (o non dissipative) e forze non conservative (o dissipative). Definizione di energia cinetica e teorema dell'energia cinetica. Definizione di energia meccanica e teorema di conservazione dell'energia meccanica. - FORZA E CAMPO ELETTRICO Il principio di sovrapposizione: espressione della forza elettrica agente su una carica puntiforme dovuta all'interazione con una qualsiasi distribuzione di cariche puntiformi. Conservatività della forza elettrica: espressione dell'energia potenziale elettrica posseduta da una carica puntiforme in presenza di una qualsiasi distribuzione di cariche puntiformi. Il concetto di campo elettrico come ente di mediazione dell'interazione a distanza fra cariche. Il concetto di potenziale elettrico. Alcuni casi particolari di campo e potenziale elettrico: 1) Campo e potenziale elettrico generato da una singola carica puntiforme e da un insieme discreto di cariche puntiformi. 2) Campo e potenziale elettrico generato da un piano infinito uniformemente carico. 3) Campo e potenziale elettrico generato da un guscio sferico uniformemente carico. 4) Campo e potenziale elettrico generato da una sfera uniformemente carica. Determinazione del campo elettrico prodotto da un doppio strato uniformemente carico con cariche di segno opposto o di uguale segno. Esempio: il potenziale di membrana. Moto di una particella carica in un campo elettrostatico. - DIELETTRICI E CONDUTTORI Differenza fra materiali isolanti e materiali conduttori: i portatori mobili di carica. Passaggio di una corrente elettrica nei materiali conduttori e polarizzazione dei materiali isolanti. Condizione di equilibrio di un conduttore. Definizione di flusso del vettore campo elettrico attraverso una superficie. La legge di Gauss (enunciato). Applicazione della legge di Gauss alla determinazione della distribuzione di carica in eccesso in un conduttore all'equilibrio (conduttore compatto e conduttore cavo). Il caso della sfera conduttrice carica. Conduttori a contatto. Introduzione di un corpo conduttore in un campo elettrico esterno e il fenomeno dell'induzione elettrostatica: (i) Inserimento di un corpo conduttore carico all’interno di un conduttore cavo scarico; (ii) Inserimento di una lastra conduttrice scarica di fronte ad un piano uniformemente carico. Induzione completa e condensatori. Capacità del condensatore: il caso del condensatore piano. Introduzione di un materiale isolante (detto anche “dielettrico”) in un campo elettrico esterno: il concetto di momento di dipolo elettrico e il fenomeno della polarizzazione. Condensatore piano riempito di materiale dielettrico. La costante dielettrica relativa. Il concetto di carica di polarizzazione e calcolo della densità di carica di polarizzazione nel condensatore piano riempito di dielettrico. La legge di Coulomb in un materiale dielettrico. Collegamento di condensatori in serie e in parallelo: espressione della capacità equivalente. Esempio: calcolo della capacità di una membrana cellulare. La conduzione elettrica nei materiali conduttori. Densità di portatori di carica. Il concetto di velocità di deriva. Intensità di corrente e densità di corrente. Corrente elettrica stazionaria. Legge di Ohm della conduzione elettrica. Conducibilità e resistività. Collegamento di resistenze elettriche in serie e in parallelo: espressione della resistenza equivalente. Potenza dissipata dal passaggio di una corrente elettrica attraverso una resistenza ed effetto Joule. - LA FORZA MAGNETICA Il magnetismo. Relazione tra fenomeni elettrici e magnetici: le azioni magnetiche sono manifestazione dell'azione a distanza fra cariche elettriche in moto. Il campo magnetico come mediatore dell'interazione fra cariche elettriche in moto. L'effetto del campo magnetico: Forza magnetica su una singola carica in moto (forza di Lorentz). Forza magnetica su un tratto infinitesimo di filo percorso da corrente (2a legge elementare di Laplace). Filo rettilineo percorso da corrente in campo magnetico uniforme. Moto di particelle cariche in campo magnetico uniforme: carica che entra in campo magnetico uniforme con velocità perpendicolare alla direzione del campo; lo spettrometro di massa; il selettore di velocità. Le sorgenti del campo magnetico: Campo magnetico prodotto da un tratto infinitesimo di filo percorso da corrente (1a legge elementare di Laplace). Campo magnetico prodotto da un circuito percorso da corrente. Campo magnetico prodotto da una singola carica in moto. Il campo magnetico prodotto da alcuni circuiti particolari: filo rettilineo indefinito; solenoide rettilineo indefinito. Legge della circuitazione di Ampere. Legge di Gauss per il campo magnetico. - I FLUIDI Cos'è un fluido. Densità e pressione. Fluidi a riposo: Variazione della pressione con la profondità e con l'altezza (legge di Stevino). Principio di Archimede e galleggiamento. Fluidi in movimento: Equazione di continuità. Equazione di Bernoulli e sue applicazioni. |