- Physics
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
Il corso è un'introduzione agli argomenti principali della Fisica Classica con l'applicazione del metodo scientifico. Il corso si propone di fornire le conoscenze e gli strumenti per la comprensione di semplici fenomeni naturali osservabili nella vita di tutti i giorni e per la soluzione di semplici problemi di Fisica Classica.
Contenuti sintetici
- Meccanica classica
- Cinematica
- Dinamica
- Energia e lavoro
- Moto armonico e oscillazioni
- Gravitazione
- Fluidodinamica
- Termodinamica
- Elettromagnetismo
- Elettrostatica
- Circuiti
- Magnetismo
- Elettromagnetismo
Programma esteso
Introduzione
- Unità di misura
- Cifre significative e ordini di grandezza
- Vettori e scalari
Cinematica
- Punto materiale
- Velocità in una dimensione
- Velocità vettoriale media, media e istantanea
- Integrale della velocità nel tempo
- Moto 1D con velocità costante
- Accelerazione media e istantanea, Moto 1D con accelerazione costante
- Equazioni del moto uniformemente accelerato
- Corpi in caduta libera
- Coordinate cartesiane e polari
- Cinematica in 2 o 3 dimensioni
- Moto circolare a velocità costante: accelerazione centripeta, moto armonico
- Moto in 2 dimensioni
- Moto circolare a velocità non costante
- Accelerazione tangenziale
Dinamica
- Sistemi di riferimento
- Trasformazioni di Galileo
- Sistemi di riferimento inerziali
- Concetto di forza
- Esperimenti di Galileo
- 1° principio di Newton
- Massa e inerzia
- 2° principio di Newton
- 3° principio di Newton
- Esempi di forze (forze di campo, forze di contatto, molla, forze apparenti)
- Forza normale, tensione, attrito
Energia e Lavoro
- Lavoro (forza costante)
- Lavoro (forza non costante)
- Teorema dell'energia cinetica
- Sistema molla-massa con e senza forza di attrito
- Forza conservativa
- Energia potenziale
- Esempi di forse conservative (molla, peso) e corrispondenti energie potenziali
- Conservazione dell'energia meccanica
- Lavoro compiuto dall'esterno su un sistema con o senza forze non-conservative
- Conservazione dell'energia
Moto armonico e oscillazioni
- Moto armonico
- Oscillazioni: sistema massa-molla
- Pendolo semplice
- Gravitazione universale: Tycho Brae, Kepler, Galileo e Newton
- Le tre leggi di Kepler
- La legge della Gravitazione di Newton
- Esperimento di Cavendish (misura di G e della massa della terra)
- Campo gravitazionale
- Crosta sferica a simmetria sferica
- Accelerazione di gravità sulla superficie della terra
- Orbita circolare e terza legge di Kepler
- Energia potenziale gravitazionale
- Forza di gravità all'interno della terra
Fluidodinamica
- Fluidi: liquidi e gas
- Densità e pressione Statica dei fluidi
- Legge di Stevino: pressione idrostatica, pressione atmosferica
- Misura della pressione
- Principio di Pascal
- Principio di Archimede (galleggiamento e peso apparente)
- Dinamica dei fluidi
- Fluido ideale
- Linee di corrente e tubi di flusso
- Equazione di continuità
- Applicazioni dell'eq. di continuità: rubinetto
- Teorema di Bernoulli
Termodinamica
- Proprietà della materia: descrizione microscopica e macroscopica
- Termodinamica vs. Meccanica statistica
- Introduzione alla termodinamica
- Variabili termodinamiche
- Equilibrio termodinamico - Equilibrio termico
- Temperatura e principio 0 della termodinamica
- Termometria: scala Celsius, scala Assoluta
- Termometro a gas
- Studio dei gas perfetti
- Legge di Boyle
- Legge di Avogadro: mole, massa molare, massa molecolare
- Legge dei Gas Perfetti
- Teoria Cinetica: pressione, temperatura, energia interna e legge dei gas perfetti
- Temperatura - Calore - Lavoro - Energia interna
- Capacità termica e calore latente
- Trasformazioni termodinamiche di equilibrio
- Primo principio della termodinamica
Elettrostatica
- Cariche, isolanti e conduttori
- Legge di Coulomb
- Campo elettrostatico
- Campo elettrostatico
- Teorema di Gauss
- Distribuzione di carica sferica
- Distribuzione di cariche su di un filo infinito
- Distribuzione planare di cariche
- Campo elettrico nei conduttori
- Potenziale elettrico, superfici equipotenziali
- Potenziale di una carica puntiforme e di una distribuzione sferica
- Potenziale nei conduttori
- Capacità elettrica, condensatore
- Condensatori in serie e in parallelo
Circuiti
- Corrente e circuiti
- Resistenza e legge di Ohm
- Resistenze in serie e parallelo
- Leggi di Kirchoff
- Circuiti RC
Magnetismo
- Campi magnetici statici: forza su carica in movimento, linee di campo
- Forza di Lorentz
- Filo attraversato da una corrente elettrica in campo magnetico
- Moto di una carica in campo magnetico
- Generazione del campo magnetico
- Legge di Biot-Savart
- Campo magnetico generato da filo infinito attraversato da corrente
- Campo magnetico generato da spira attraversata da corrente, al centro e nel piano della spira
- Legge di Ampere
- Forza tra 2 fili attraversati da correnti
- Equazioni di Maxwell nel vuoto per campi statici
Elettromagnetismo
- Forza elettromotrice: campo elettrostatico e campo elettrico
- Esperimento di Faraday e l'induzione magnetica
- Flusso del campo magnetico
- Legge di Faraday
- Legge di Lenz
- Equazioni di Maxwell in vuoto
Prerequisiti
Le principali nozioni acquisite nel corso di Analisi Matematica
Modalità didattica
- Lezioni frontali (6 CFU / 48 ore)
- Esercitazioni (2 CFU / 20 ore)
Il corso verrà tenuto in italiano o in inglese in base agli studenti presenti.
Le lezioni saranno tutte videoregistrate e messe a disposizione sulla piattaforma e-learning al link
https://elearning.unimib.it
Materiale didattico
In generale qualsiasi testo di Fisica (Meccanica, Termodinamica ed Elettromagnetismo) di livello universitario per facoltà scientifiche o ingegneria è adatto, per esempio
- D. Halliday, R. Resnick. Fondamenti di Fisica (vol. 1 e 2), Casa Editrice Ambrosiana
- R. Serway, J. Jewett. Principi di Fisica, Edises
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo anno, primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame verrà valutato con una prova scritta ed una prova orale facoltativa. La prova scritta consisterà in alcuni esercizi da svolgere ed alcune domande di carattere teorico sugli argomenti trattati.
Sono previsti 5 appelli: Gennaio, Febbraio, Giugno, Luglio e Settembre.
Le prove scritte superate con almeno 18/30 di valutazione sono ritenute valide ai fini del conseguimento del corso. Studenti possono, se lo desiderano, effettuare anche una prova orale. Questa e' particolarmente consigliata per studenti che hanno conseguito almeno 28/30 di valutazione nell'esame scritto. La prova orale e’ facoltativa e conferisce un punteggio tra -5 a +5 punti, che verranno sommati/sottratti al voto della prova scritta. La valutazione 30 e lode e’ raggiungibile solo con la prova orale (il massimo voto accessibile con la sola prova scritta e’ 30/30). Gli esami possono essere svolta in lingua italiana o inglese, a scelta dello studente.
Orario di ricevimento
Sempre, previo appuntamento per email
Aims
The course is an introduction to the main topics of Classical Physics and to the exploitation of the scientific method. The course aims to provide the knowledge and tools for the understanding of simple natural phenomena observable in everyday life and for the solution of simple problems of Classical Physics .
Contents
- Classical Mechanics
- Kinematics
- Dynamics
- Work and Energy
- harmonic motion and oscillations
- Gravitation
- Fluids
- Thermodynamics
- Electromagnetism
- Electrostatics
- circuits
- Magnetism
- Electromagnetism
Detailed program
Introduction
- Measurements, units
- Significant figures and orders of magnitude
- Vectors and scalars
Kinematics
- point-like particle motion
- velocity (average and instantaneous) and speed in one dimension
- integral of velocity over time
- 1D motion with constant velocity
- average and instantaneus acceleration
- 1D motion with constant acceleration
- equations of motion with costant acceleration
- free fall
- Cartesian and polar coordinates
- kinematics in 2 or 3 dimensions
- uniform circular motion: centripetal acceleration, harmonic motion
- motion in 2 dimensions. circular motion at variable velocity. tangential acceleration
Dynamics
- Reference frames. Galileo's transformations. Inertial reference frames
- The concept of force (examples)
- Galileo experiments
- Newton's 1st principle
- Mass and inertia
- Newton's 2nd principle
- Newton's 3rd principle
- Examples of forces (field forces, contact forces, spring, apparent forces)
- Normal force, tension, friction
Energy and Work
- Work (constant force, 1D)
- Scalar product of vectors
- Work (variable force)
- Work (variable force, 3D)
- Kinetic energy theorem
- Spring-mass system with and without friction
- Conservative force
- Potential energy
- Examples of conservative forces (spring, weight) and corresponding potential energies
- Mechanical energy conservation
- Work performed from the outside on a system with or without non-conservative forces
- Energy conservation
- Energy diagrams
Gravitation
- Universal gravitation: Tycho Brae, Kepler, Galileo and Newton
- The three laws of Kepler
- Newton's Law of Gravitation
- Cavendish experiment (measurement of G and earth mass)
- Gravitational field
- Spherical shell with spherical symmetry
- Acceleration of gravity on the surface of the earth
- Circular orbit and Kepler's third law
- Gravitational potential energy
- Energy diagrams: total energy for a circular orbit
- Gravity inside the earth
Harmonic motion and oscillations
- Harmonic motion
- Oscillations: mass-spring system
- Simple pendulum *
- Gravity inside the earth *
Fluid Mechanics
- Fluids: liquids and gases
- Density and pressure
- Fluids at rest
- Stevino's law: hydrostatic pressure, atmospheric pressure
- Pressure measurement: Torricelli barometer and differential pressure gauge
- Pascal's principle
- Hydraulic press or hydraulic lever
- Archimedes's Principle of (buoyancy and apparent weight)
- Verification of Archimedes's principle
- Ideal fluid in motion
- Streamlines and tube of flow
- Continuity equation
- Applications of the eq. continuity: tap flow
- Bernoulli's theorem (energetic considerations)
- Applications of the Bernoulli Theorem: Torricelli's law
Thermodynamics
- Properties of matter: microscopic and macroscopic description
- Thermodynamics vs. Statistical mechanics
- Introduction to thermodynamics
- Thermodynamic system
- Thermodynamic variables
- Thermodynamic equilibrium - Thermal equilibrium
- Temperature and zeroth law of thermodynamics
- Thermometry: Celsius scale, Absolute scale
- Gas thermometer
- Ideal gases
- Boyle's law
- Avogadro's law: mole, molar mass, molecular mass
- Ideal Gas Law
- Kelvin scale
- Constant volume gas thermometer
- Kinetic Theory of Gases: pressure, temperature, internal energy and ideal gas law
- Temperature - Heat - Work - Internal energy
- Equivalence Heat - Work
- Thermal capacity and latent heat *
- Thermal expansion *
- Thermodynamic equilibrium transformations
- First law of thermodynamics
- Work and thermal capacity of a perfect gas
Electrostatics and circuits
- Introduction: charges, induced charges, insulators and conductors
- Coulomb's law
- Electrostatic field, electrostatic field lines
- Flux of the electrostatic field
- Gauss's law
- Applications of the Gauss's law:
- Point charge
- Spherical charge distribution *
- Infinitely long charged wire *
- Planar distribution
- Electric field of conductors
- Electric potential, equipotential surfaces
- Potential due to a point charge and to a spherical distribution
- Electric field from the electric potential
- Potential of conductors
- Electric capacitance, capacitors, parallel plate capacitor
- Series and parallel capacitors *
- Current and circuits
- Resistance and Ohm's law
- Resistors in series and in parallel *
- Kirchoff's laws *
- RC circuits *
Magnetism
- Static magnetic fields: force on moving charge, field lines, Lorentz force
- Electric current carrying wire in magnetic field
- Motion of a charge in magnetic field *
- Magnetic field generation:
- Biot-Savart law
- Magnetic field generated by infinitely long current-carrying wire
- Magnetic field generated by current loop in the center and in the loop plane
- Ampere's law
- Application of the Ampere's Law to the infinite wire and to the solenoid
- Force between 2 parallel currents
- Maxwell equations for static fields in vacuum
- Electromotive force: electrostatic field and electric field
- Faraday experiment and magnetic induction
- Magnetic field flow
- Faraday's law and Lenz's law
- Maxwell equations in vacuum
Prerequisites
The basic concepts learnt at Calculus classes.
Teaching form
- Lessons (6 CFU / 48 hours)
- Exercise classes (2 CFU / 20 hours)
The course is delivered in Italian, or in english when needed.
All lessons will be video-recorded and made available on the e-learning platform at
https://elearning.unimib.it
Textbook and teaching resource
In general, any textbook of Physics (Mechanics, Thermodynamics and Electromagnetism) at university level for scientific or engineering faculties is suitable, for example
- D. Halliday, R. Resnick. Fundamentals of Physics, Wiley
- R. Serway, J. Jewett. Physics For Scientists And Engineers, Brooks/Cole
Semester
Second year, first semester.
Assessment method
- Written exam: exercises to solve and questions on theory,
- Oral exam: when required.
There are 5 exam sessions: January, February, June, July and September.
The written tests passed with at least 18/30 are valid to complete the exam. Students can ask for an oral, and oral is required for honors. The oral exam can be carried out in English.
Office hours
Anytime, on appointment by email.