Syllabus del corso
Obiettivi
Insegnamento dei fondamenti dell'elettromagnetismo, dell'ottica ondulatoria e di alcuni elementi di fisica moderna.
Contenuti sintetici
Campo e potenziale elettrico, legge di Coulomb, teorema di Gauss. Correnti elettriche e alcuni semplici circuiti. Campo magnetico, forza di Lorentz, leggi di Biot-Savart e Ampere. Induzione magnetica, leggi di Faraday e Lenz. Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche. Vettore di Poynting ed energia. Richiami di ottica geometrica ed ottica ondulatoria: principio di Huygens, interferenza e diffrazione. Elementi di fisica moderna: radiazione di corpo nero, effetto fotoelettrico, effetto Compton, limiti del modello atomico di Rutherford. Cenni alla meccanica quantistica.
Programma esteso
Prima parte del corso: elettrostatica nel vuoto, correnti elettriche e magnetostatica nel vuoto
- Campi elettrici
Fenomenologia delle interazioni elettriche. Legge di Coulomb. Campo elettrico: definizione, principio di sovrapposizione e risultati per cariche puntiformi. Campo elettrico di una distribuzione di carica generica. Linee di campo elettrico. Moto di una particella carica in un campo elettrico uniforme
- Legge di Gauss
Flusso elettrico, enunciato del teorema di Gauss ed applicazioni. Proprietà del campo elettrico nei conduttori all'equilibrio elettrostatico.
- Potenziale elettrico
Potenziale elettrico e differenza di potenziale. Differenza di potenziale per un campo elettrico uniforme e per il campo elettrico generato da cariche puntiformi. Relazione tra campo elettrico e potenziale. Potenziale dovuto a distribuzioni continue di carica. Proprietà del potenziale elettrico nei conduttori ed applicazioni.
- Capacità, condensatori e cenni a dielettrici
Definizione e calcolo della capacità di conduttori e condensatori. Condensatori in serie e parallelo. Energia immagazzinata in un condensatore. Cenni alle proprietà dei condensatori con dielettrici.
- Corrente elettrica e applicazioni
Definizione di corrente elettrica ed interpretazione microscopica. Resistenza, resistività e legge di Ohm. Cenni alle proprietà della resistenza in funzione della temperatura. Potenza elettrica. Resistenze in serie e parallelo. Carica e scarica del condensatore in un circuito RC.
- Campi magnetici
Fenomenologia delle interazioni magnetiche. Forza su una carica in moto in un campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico uniforme ed applicazioni. Forza sul filo indefinito percorso da corrente. Momento magnetico e momento meccanico agente sulla spira percorsa da corrente. Principio di funzionamento del motore elettrico. Effetto Hall e misura del campo magnetico
- Sorgenti di campo magnetico
Esperimento di Oersted e legge di Biot-Savart. Proprietà del campo magnetico prodotto da un filo indefinito e da una spira circolare percorsi da corrente. Forza magnetica tra due fili indefiniti percorsi da corrente e definizione operativa di Ampere. Legge di Ampere ed applicazioni al filo indefinito percorso da corrente, al toroide e al solenoide indefinito. Teorema di Gauss per il campo magnetico.
Seconda parte del corso: elettromagnetismo, ottica ed elementi di fisica moderna
- Legge di Faraday
Legge dell'induzione e f.e.m. nei circuiti in moto. Legge di Lenz e campi elettrici indotti. Generatori e motori.
- Induttanza
Autoinduzione ed induttanza. Circuiti RL. Energia in un campo magnetico.
- Onde elettromagnetiche
Corrente di spostamento ed equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche piane, energia e quantità di moto trasportate da
onde elettromagnetiche. Spettro delle onde elettromagnetiche.
- Natura della luce e leggi dell'ottica geometrica
Proprietà generali della luce e leggi dell'ottica geometrica. Principio di Huygens.
- Ottica ondulatoria
Interferenza tra onde luminose ed esperimento di Young. Variazione di fase dovuta alla riflessione ed interferenza da lamine sottili. Interferometro di Michelson e cenni ad alcune applicazioni.
- Diffrazione
Diffrazione da fenditure sottili. Limite alla risoluzione di strumenti ottici dovuto alla diffrazione. Reticolo di diffrazione e diffrazione da cristalli. Cenni alla polarizzazione delle onde luminose.
- Elementi di Fisica Moderna
Natura corpuscolare della radiazione: corpo nero ed ipotesi di Planck, effetto fotoelettrico e fotoni, effetto Compton. Natura ondulatoria della materia: criticità del modello atomico di Rutherford e modello di Bohr, ipotesi di De Broglie. Onde di materia e principio di indeterminazione di Heisenberg. Descrizione probabilistica del mondo microscopico: cenni al concetto di funzione d'onda ed all'equazione di Schrodinger.
Prerequisiti
Contenuto dei corsi di fisica generale e matematica del primo anno accademico
Modalità didattica
Lezioni frontali sulla teoria e sulla soluzione di esercizi.
Materiale didattico
Libri di testo:
- Per la parte di fisica classica: Serway, Jewett, "Fisica per Scienze ed Ingegneria", vol. 2, ed. EdiSES
- Per la parte di fisica moderna: Halliday, Resnick, Krane, "Fisica 2", V edizione, Casa Editrice Ambrosiana
Altro materiale per la preparazione dell'esame e lo studio individuale:
- Temi d'esame con soluzione pubblicati sulla pagina e-learning del corso
- Soluzioni agli esercizi del testo Serway, Jewett, "Fisica per Scienze ed Ingegneria", vol. 2, ed. EdiSES forniti dall'editore
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Modalità dell’esame per gli studenti iscritti al secondo anno a partire dall’a.a. 2017/2018
L’esame consiste di una prova scritta e, se necessario o richiesto dallo studente, una prova orale finale. Per partecipare alla prova scritta bisogna iscriversi tramite il link predisposto sulla pagina web del corso. Per partecipare alla prova orale o verbalizzare il voto dell’esame è invece necessario iscriversi ad un appello tramite la piattaforma ESSE3.La validità di ciascuna prova scritta consegnata è di 8 appelli a partire da quello successivo al sostenimento della prova. Ogni prova scritta è valutata con un punteggio massimo pari a 32. Ai fini dell’ammissione all’esame orale, lo studente deve ottenere un punteggio minimo di 15. Agli studenti che conseguono un punteggio non inferiore a 21 nella prova scritta è data facoltà di non sostenere la prova orale. In tal caso, gli studenti devono inviare una e-mail di accettazione del proprio voto al docente e comunicare a quale appello sono iscritti ai fini della registrazione dell’esito mediante la piattaforma ESSE3. Il voto finale dell’esame coincide in questo caso con il punteggio conseguito nella prova scritta, arrotondato per eccesso all’intero. Se il punteggio è superiore a 30, è attribuita la valutazione di “30 e lode”. La prova orale è obbligatoria per tutti gli studenti che abbiano realizzato un punteggio complessivo compreso tra 15 e 20 nella prova scritta. Si può sostenere la prova orale nello stesso appello in cui si è sostenuta l’ultima prova scritta,oppure in uno successivo. Nel caso in cui lo studente intenda sostenere la prova orale nello stesso appello della prova scritta è richiesto che ne faccia preventiva comunicazione al docente mediante email, in modo da consentire la correzione della prova scritta in tempo utile da parte dei docenti.
Struttura della prova scritta
La prova scritta verte su tutti e soli gli argomenti affrontati durante le lezioni o esercitazioni e riportati nel programma dettagliato disponibile alla pagina web del corso. Durante la prova scritta è consentito l’uso di un calcolatore tascabile e di una copia cartacea del formulario del corso disponibile alla pagina web. Non è consentito l’uso di appunti o libri di testo, in qualunque forma. Gli studenti che partecipano alla prova scritta devono inoltre esibire la tessera universitaria per il riconoscimento. Ciascuna prova scritta è fatta di quattro domande, a risposta aperta, di carattere sia teorico, sia applicativo (soluzione di un esercizio), a cui rispondere in un tempo totale di 120 minuti.
Struttura della prova orale
La prova orale è volta ad accertare l’eventuale superamento delle lacune emerse nella prova scritta. Consiste in un massimo di due domande, di carattere sia teorico sia applicativo, sugli argomenti risultati più incerti sulla base dell’esito della prova scritta. La risposta a ciascuna domanda è valutata con un punteggio compreso tra 0 e 8. Quest’ultimo sostituisce il punteggio conseguito nelle risposte sui medesimi argomenti nella prova scritta. Il punteggio finale d’esame è dato dalla somma dei punteggi delle risposte nelle prova scritta e in quella orale. Se il punteggio complessivo è non inferiore a 18, l’esame risulta superato e la valutazione coincide con il punteggio ottenuto,arrotondato per eccesso all’intero. Se il punteggio è superiore a 30, è attribuita la valutazione di “30 e lode”. Nel caso in cui il punteggio fosse inferiore a 18, invece, l’esame non è superato e lo studente deve ripetere anche la prova scritta.
Prove in itinere
Al fine di favorire un rapido superamento dell’esame, agli studenti che lo desiderano è data facoltà di sostituire la prova scritta mediante due prove scritte “in itinere” (compitini) in due diverse date,una per prova, fissate durante lo svolgimento della didattica (orientativamente nei mesi di Novembre e Gennaio) e in orario coincidente con quello delle lezioni o esercitazioni. Nella data di ciascuna prova in itinere le lezioni sono sospese e sostituite dallo svolgimento della prova. Ciascuna prova in itinere consiste di tre domande, a risposta aperta e di carattere teorico o applicativo (soluzione di un esercizio), e produce un punteggio compreso tra 0 e 16. La prima prova in itinere riguarda l’elettrostatica, le correnti stazionarie e la magnetostatica. La seconda prova in itinere ha per oggetto tutti i restanti argomento affrontati durante le lezioni e le esercitazioni del corso. Le regole di svolgimento delle prove scritte in itinere sono le stesse della prova scritta di cui sopra. La partecipazione alle prove in itinere è fortemente incoraggiata.
Modalità dell’esame per gli studenti iscritti al secondo anno prima dell’a.a. 2017/2018
Per gli studenti iscritti al secondo anno prima dell’a.a. 2017/2018 l’esame consiste esclusivamente in una prova orale su tutto il programma del corso. Durante la prova lo studente dovrà rispondere a domande di carattere sia teorico, sia applicativo (soluzione di esercizi), in un numero congruo ad accertare la preparazione sui principali argomenti del corso. Per chi lo desiderasse è consentito usufruire, in alternativa, delle stesse modalità d'esame in vigore per gli studenti in corso.
Gli esami si possono sostenere in lingua italiana o inglese, a discrezione dello studente.
Orario di ricevimento
Su appuntamento per email
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims at teaching the fundamentals of the electromagnetic theory, wave optics and some aspects of modern physics.
Contents
Electric field and potential, Coulomb law, Gauss theorem. Electrical currents and some simple circuits. Magnetic field, Lorentz force, Biot-Savart and Ampere laws. Magnetic induction, Faraday and Lenz laws. Maxwell equations and electromagnetic waves. Poynting vector and energy. Elements of geometrical optics and fundamentals of wave optics: Huygens principle, interference and diffraction. Elements of modern physics: black body radiation, photoelectric effect, Compton effect, limitations of the Rutherford atomic model. Brief introduction to quantum mechanics.
Detailed program
Part one: vacuum electrostatic, electrical currents and vacuum magnetostatic
- Electric fields
Experimental aspects of the electrical interactions. Coulomb's law. Electric field: definition, superposition principle and results for point charges. Electric field by a generic charge distribution. Electric field lines. Motion of a charge in a uniform electric field.
- Gauss's law
Electric flux, Gauss's theorem and applications. Properties of the electric field in a conductor at equilibrium.
- Electric potential
Electric potential and potential difference. Potential difference for a uniform electric field and for the eletric field due to point charges. Relation between electric field and eletric potential. Potential due to continuous charge distributions. Properties of the electric potential in conductors and applications.
- Capacitance, capacitors and dieletrics
Definition and calculation of the capacitance of a conductor and of a capacitor. Series and parallel connection of two capacitors. Energy stored in a capacitor. Brief description of the properties of capacitors filled by dielectric materials.
- Electrical current and applications
Definition of electrical current and its microscopic interpretation. Resistance, resistivity and Ohm's law. Brief description of the properties of the resistance as a function of temperature. Electric power. Series and parallel connection of two resistors. Properties of capacitors in an RC circuit.
- Magnetic fields
Experimental aspects of magnetic interactions. Force on a moving charge in a magnetic field. Motion of a charge in a uniform magnetic field and applications. Force acting on a infinite current carrying wire. Magnetic moment and mechanical moment acting on a coil. Principle of operation of the electric engine. Hall effect and magnetic field measurements.
- Sources of magnetic field
Oersted's experiment and Biot-Savart's law. Properties of the magnetic field produced by an infinite current carrying wire and by a circular coil. Magnetic force between two nearby current carrying wires and practical definition of Ampere. Ampere's law and its application to an infinite current carrying wire, a toroid and an infinite solenoid. Gauss's theorem for the magnetic field.
Part two: electromagnetism, optics and elements of modern physics
- Faraday's law
Faraday's induction law and e.m.f. on a moving circuit. Lenz's law and induced electric fields. Electric generators and engines.
- Induction
Self induction and self induction coefficient. RL circuits. Energy stored in a magnetic field.
- Electromagnetic waves
Displacement current and Maxwell's equations. Plane electromagnetic waves, energy and momentum carried by an electromagnetic wave. Electromagnetic spectrum.
- Nature of light and laws of ray optics
Main properties of light and ray optics. Huygens' principle.
- Wave optics
Interference between two light waves and Young's experiment. Phase shift from wave reflection and interference from thin films. Michelson's interferometer and some applications.
- Diffraction
Diffraction from thin slits. Limitation to the resolution of optical instruments due to diffraction. Diffraction grating and diffraction from crystals. Elements of light polarization.
- Elements of modern physics
Corpuscular nature of the radiation: black body radiation and Planck's hypothesis; photoelectric effect and photons; Compton effect. Wave nature of matter: limitations of Rutherford's atomic model and Bohr's model, De Broglie's hypothesis. Matter waves and Heisenberg's indetermination principle. Probabilistc description of the microscopic world: introduction to the concept of wave function and Schrodinger's equation.
Prerequisites
Content of the physics and mathematics courses taught during the first academic year
Teaching form
Frontal lessons on theory and problem solving.
Textbook and teaching resource
Textbooks:
- For the part of the program on classical physics: Serway, Jewett, "Fisica per Scienze ed Ingegneria", vol. 2, ed. EdiSES (also available in English)
- For the part of the program on modern physics: Halliday, Resnick, Krane, "Fisica 2", V edizione, Casa Editrice Ambrosiana (also available in English)
Further study material:
- Solved written exams published on the e-learning page of this course
- Solutions to the problems found in the textbook Serway, Jewett, "Fisica per Scienze ed Ingegneria", vol. 2, ed. EdiSES (also available in English) as provided by the Editor.
Semester
First semester
Assessment method
One written test at the end of the course. This can be followed by an oral exam if deemed necessary by the teacher or if requested by the student. The maximum score that can be obtained in a written test is 32. If the score obtained in the written test is less than 21, the oral test is compulsory. If the oral test is not taken, the final score of the exam is the rounded up score obtained in the written test. Written tests can also be taken during classes, tentatively in November and January.
Each written test is made of 4 questions to be answered in 120 minutes. The questions can be theoretical or practical (problem solving). Students cannot use books or personal notes during written exams. They can however use a printed copy of the formulary available on the course web page. Please refer to the Italian version of the syllabus for more details.
Students can take exams in Italian or English.
Office hours
By appointment via email
Sustainable Development Goals
Staff
-
Davide Campi
-
Massimo Nocente
