Summary of Basic Physics | e-Learning

Course Syllabus

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Obiettivi

Il corso, oltre a riprendere e approfondire gli argomenti affrontati nella fisica delle scuole medie superiori, fornisce le nozioni di fisica necessarie per affrontare molti degli argomenti presenti in altri corsi della laurea in STA, in particolare nei corsi avanzati di chimica, biologia, scienze della terra e fisica applicata.

Gli argomenti principali riguardano lo studio del moto e le sue cause, la gravitazione universale, le leggi di Newton e la termodinamica, quest'ultima propedeutica per i corsi di chimica e biologia. La termodinamica inoltre, assieme alle nozioni di base sull'energia e sulla sua conservazione, permetterà allo studente di affrontare, dal punto di vista energetico, un sistema fisico complesso. Durante il corso lo studente acquisirà infine le nozioni fondamentali del calcolo vettoriale, ripreso nelle lezioni iniziali e ampiamente utilizzato nel seguito.

Contenuti sintetici

Introduzione alla fisica, cinematica unidimensionale, i vettori in fisica, cinematica bidimensionale, le leggi del moto di Newton, applicazione delle leggi di Newton, lavoro ed energia cinetica, energia potenziale e conservazione dell'energia, quantità di moto e urti, moti rotazionali, dinamica rotazionale ed equilibrio statico, la gravitazione universale, i fluidi, temperatura e calore, fasi e cambiamenti di fase, le leggi della termodinamica.

Programma esteso

Introduzione alla fisica: - Unità di lunghezza, massa e tempo;
- Analisi dimensionale;
- Conversione di unità di misura;
- Calcolo dell'ordine di grandezza;
- Scalari e vettori.

Cinematica unidimensionale:
- Posizione, distanza e spostamento;
- Velocità scalare media e velocità media;
- Velocità istantanea;
- Accelerazione;
- Moto con accelerazione costante;
- Applicazioni delle equazioni del moto;
- Oggetti in caduta libera.

I vettori in fisica:
- Scalari e vettori;
- Componenti di un vettore;
- Somma e sottrazione di vettori;
- I vettori posizione, spostamento, velocità e accelerazione.

Cinematica bidimensionale:
- Moto in due dimensioni;
- Moto di un proiettile: equazioni di base;
- Lancio ad angolo zero;
- Caso generale: lancio con angolo qualsiasi;
- Moto di un proiettile: parametri caratteristici.

Le leggi del moto di Newton:
- Forza e massa;
- Prima legge del moto di Newton;
- Seconda legge del moto di Newton;
- Terza legge del moto di Newton;
- La natura vettoriale delle forze: forze in due dimensioni;
- Forza peso;
- Forze normali.

Applicazione delle leggi di Newton:
- Forze di attrito;
- Corde e molle;
- Equilibrio rispetto alla traslazione;
- Oggetti collegati;
- Moto circolare.

Lavoro ed energia cinetica:
- Lavoro di una forza costante;
- Energia cinetica;
- Lavoro di una forza variabile;
- Potenza.

Energia potenziale e conservazione dell'energia:
- Forze conservative e non conservative;
- Energia potenziale e lavoro di forze conservative;
- Conservazione dell'energia meccanica;
- Lavoro di forze non conservative;

Quantità di moto e urti:
- Quantità di moto;
- Conservazione della quantità di moto;
- Urti anelastici;
- Urti elastici;
- Centro di massa.

Moti rotazionali:
- Posizione e velocità angolari;
- Sistemi di riferimento rotanti;
- Moto di rotolamento;
- Energia cinetica di rotazione e momento d'inerzia;
- Conservazione dell'energia.

Dinamica rotazionale ed equilibrio statico:
- Momento torcente;
- Momento torcente nullo ed equilibrio statico.

La gravitazione universale:
- La legge della gravitazione universale di Newton;
- Attrazione gravitazionale tra corpi sferici;
- Le leggi di Keplero dei moti orbitali;
- Energia potenziale gravitazionale;
- Conservazione dell'energia.

I fluidi:
- Densità;
- Pressione;
- Equilibrio statico nei fluidi: pressione e profondità;
- Principio di Archimede e galleggiamento;
- Applicazioni del principio di Archimede;
- Flusso di un fluido e continuità;
- Equazione di Bernoulli;
- Applicazioni dell'equazione di Bernoulli.

Temperatura e calore:
- Temperatura e principio zero della termodinamica;
- Scale termometriche;
- Dilatazione termica;
- Calore e lavoro meccanico;
- Calore specifico;
- Conduzione, convezione e irraggiamento.

Fasi e cambiamenti di fase:
- Gas ideali;
- Teoria cinetica;
- Equilibrio di fase ed evaporazione;
- Calore latente;
- Cambiamenti di fase e conservazione dell'energia.

Le leggi della termodinamica:
- Il principio zero della termodinamica;
- Il primo principio della termodinamica;
- Trasformazioni termodinamiche;
- Calori specifici di un gas ideale: a pressione costante e a volume costante;
- Il secondo principio della termodinamica;
- Macchine termiche e teorema di Carnot;
- Frigoriferi, condizionatori d'aria e pompe di calore;
- Entropia;
- Ordine, disordine ed entropia;
- Il terzo principio della termodinamica.

Prerequisiti

Matematica di base.

Modalità didattica

Lezioni frontali sulla teoria (7 cfu), esercitazioni (1 cfu) e tutoraggio.

Materiale didattico

Libro di testo:

- James S. Walker, "Fondamenti di Fisica con MasteringPhysics", sesta edizione, casa editrice Pearson.

Altro materiale per la preparazione dell'esame e lo studio individuale:

- Esercizi proposti sulla piattaforma online MasteringPhysics;
- Esercizi proposti durante il tutoraggio.

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Secondo semestre.

Modalità di verifica del profitto e valutazione

Due prove scritte al termine del corso (una su ciascuna delle due parti del corso) seguite, se necessario o richiesto dallo studente, da una prova orale. Ciascuna prova scritta produce un punteggio massimo pari a 33. La prova orale è obbligatoria se la media dei punteggi ottenuti nelle due prove scritte è inferiore a 21. Se la media dei punteggi è inferiore a 15 è necessario ripetere una o entrambe le prove scritte. Se non si sostiene la prova orale, il voto dell'esame coincide con la somma dei punteggi ottenuti nelle due prove scritte, arrotondato per eccesso all'intero. Una o entrambe le prove scritte si possono sostenere anche "in itinere" durante le lezioni del corso, all'incirca ad Aprile e Giugno. Ogni scritto ha validità annua dalla data di consegna. Per ciascuno dei due scritti ai fini del calcolo del voto vale l'ultima prova consegnata.

Ciascuna prova scritta consiste di circa 4 esercizi, a cui rispondere in un tempo di 120 minuti. Durante le prove scritte è consentito l'uso di libri di testo e di una calcolatrice. Non è consentito l'uso di appunti personali o di eserciziari.

Orario di ricevimento

Su appuntamento per e-mail.

Sustainable Development Goals

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Aims

The course, in addition to taking up and analyzing the topics dealt with in the physics of secondary schools, provides the notions of physics necessary to address many of the topics present in other courses of the degree in STA, in particular in advanced courses in chemistry, biology, earth science and applied physics.

The main topics concern the study of motion and its causes, universal gravitation, Newton's laws and thermodynamics - the latter preparatory for chemistry and biology courses. Furthermore thermodynamics, together with the basic notions of energy and its conservation, allow for the student to tackle a complex physical system from an energetic point of view. During the course the student will also acquire the basic notions of vector calculus, taken up in the initial lessons and widely used in the following.

Introduction to Physics, one-dimensional kinematics, vectors in Physics, two-dimensional kinematics, Newton’s laws of motion, applications of Newton’s laws, work and kinetic energy, potential energy and conservation of energy, linear momentum and collisions, rotational kinematics and energy, rotational dynamics and static equilibrium, gravity, fluids, temperature and heat, phases and phase changes, the laws of thermodynamics.

Detailed program

Introduction to Physics: - Units of length, mass and time;
- Dimensional analysis;
- Converting units;
- Order-of-magnitude calculations;
- Scalars and vectors.

One-dimensional kinematics:
- Position, distance and displacement;
- Average speed and velocity;
- Instantaneous velocity;
- Acceleration;
- Motion with constant acceleration;
- Application of the equation of motion;
- Freely falling objects.

Vectors in Physics:
- Scalars versus vectors;
- The components of a vector;
- Adding and subtracting vectors;
- Position, displacement, velocity and acceleration vectors.

Two-dimensional kinematics:
- Motion in two dimensions;
- Projectile motion: basic equations;
- Zero launch angle;
- General launch angle;
- Projectile motion: key characteristics.

Newton's laws of motion:
- Force and mass;
- Newton's first law of motion;
- Newton's second law of motion;
- Newton's third law of motion;
- The vector nature of forces: forces in two dimensions;
- Weight;
- Normal forces.

Applications of Newton's laws:
- Frictional forces;
- Strings and springs;
- Translational equilibrium;
- Connected objects;
- Circular motion.

Work and kinetic energy:
-Work done by a constant force;
- Kinetic energy;
- Work done by a variable force;
- Power.

Potential energy and conservation of energy:
- Conservative and nonconservative forces;
- Potential energy and the work done by conservative forces;
- Conservation of mechanical energy;
- Work done by nonconservative forces;

Linear momentum and collisions:
- Linear momentum;
- Conservation of linear momentum;
- Inelastic collisions;
- Elastic collisions;
- Center of mass.

Rotational kinematics and energy:
- Angular position and velocity;
- Rolling motion;
- Rotational kinetic energy and the moment of inertia;
- Conservation of energy.

Rotational dynamics and static equilibrium:
- Torque;
- Zero torque and static equilibrium.

Gravity:
- Newton's law of universal gravitation;
- Gravitational attraction of spherical bodies;
- Kepler's laws of orbital motion;
- Gravitational potential energy;
- Energy conservation.

Fluids:
- Density;
- Pressure;
- Static equilibrium in fluids: pressure and depth;
- Archimedes' Principle and buoyancy;
- Applications of Archimedes' Principle;
- Fluid flow and continuity;
- Bernoulli's equation;
- Application of Bernoulli's equation.

Temperature and heat:
- Temperature and the zeroth law of thermodynamics;
- Temperature scales;
- Thermal expansion;
- Heat and mechanical work;
- Specific heats;
- Conduction, convection and radiation.

Phases and phase changes:
- Ideal gases;
- The kinetic theory of gases;
- Phase equilibrium and evaporation;
- Latent heats;
- Phase changes and energy conservation.

The laws of thermodynamics:
- The zeroth law of thermodynamics;
- The first law of thermodynamics;
- Thermal processes;
- Specific heats for an ideal gas: constant pressure and constant volume;
- The second law of thermodynamics;
- Heat engines and the Carnot cycle;
- Refrigerators, air conditioners and heat pumps;
- Entropy;
- Order, disorder and entropy;
- The third law of thermodynamics.

Prerequisites

Basic knowledge of Mathematics.

Teaching form

Frontal lessons on theory (7 cfu), problem solving (1 cfu) and tutoring sessions.

Textbook and teaching resource

Textbook:

- James S. Walker, "Fondamenti di Fisica con MasteringPhysics", 6th edition, Pearson. (also available in English)

Further study material:

- Set of exercises on the online platform MasteringPhysics;
- Exercises solved during tutoring sessions.

Semester

Second semester.

Assessment method

Two written tests at the end of the course (one per part of the course). These 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 33. If the average of the scores obtained in the two written tests is less than 21, the oral test is compulsory. It is compulsory to repeat one or both tests if the average of the scores is less than 15. If the oral test is not taken, the final score of the exam is the rounded sum of the scores obtained in the two written tests. One or both of the written tests can also be taken during classes, tentatively in April and June. Each test is considered valid for a total duration of one solar year. For the score computation only the last tests submitted are considered.

Each written test is made of approximately 4 exercises to be answered in 120 minutes. Students can use textbooks and a calculator during written exams. However, they cannot use personal notes or workbooks.