Course Syllabus
Obiettivi
Il corso, oltre a riprendere e approfondire gli argomenti affrontati nella fisica delle scuole medie superiori, fornirà 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 riguarderanno 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.
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
-
24 lezioni da 2 ore di didattica erogativa in presenza (6 cfu)
-
10 esercitazioni da 2 ore di didattica interattiva in presenza (2 cfu)
Sono previste 20 ore di tutoraggio finalizzate alla preparazione della parte scritta dell'esame.
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
La prova finale dell'insegnamento consiste in una prova scritta, suddivisa in due parti al suo interno. Ciascuna delle due parti è valutata con un punteggio massimo pari a 33 punti. Durante il corso è possibile sostenere in itinere separatamente una o entrambe le parti della prova scritta, all'incirca ad Aprile e Giugno.
Ogni parte ha validità annuale dalla data di consegna e per ciascuna, ai fini del calcolo del voto finale, vale l'ultima prova consegnata. Ciascuna parte 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.
La prova orale è obbligatoria se la media dei punteggi ottenuti nelle due parti della prova scritta è inferiore a 21. Se la media dei punteggi è inferiore a 15 è necessario ripetere una o entrambe le parti.
Se non si sostiene la prova orale, il voto dell'esame coincide con la media dei punteggi ottenuti nelle due parti della prova scritta, arrotondato per eccesso all'intero. E' sempre possibile sostenere una prova orale facoltativa.
Orario di ricevimento
Su appuntamento per e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
The course, in addition to taking up and analyzing the topics dealt with in the physics of secondary schools, will
provide 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, sciences of land and applied physics.
The main topics will 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, will allow the student to tackle a complex physical system
from an energetic point of view. During the course the student will finally acquire the fundamental notions of vector
calculus, taken up in the initial lessons and widely used in the following.
Contents
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
-
24 lessons of 2 hours of delivered didactics (6 credits)
-
10 exercises of 2 hours of interactive teaching in presence (2 cfu)
There are 20 hours of tutoring for the preparation of the written part of the exam.
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
The final exam of the teaching consists of a written exam, divided into two internal parts. Each of the two parts is evaluated with a maximum score of 33 points. During the course it is possible to take one or both parts of the written test separately, approximately in April and June.
Each part is valid for one year from the date of delivery and for each part, for the purpose of calculating the final mark, the last test submitted is valid. Each written part consists of about 4 exercises, to be answered in 120 minutes. During the written tests the use of textbooks and a calculator is permitted. The use of personal notes or exercise books is not permitted.
The oral test is compulsory if the average score obtained in the two parts of the written test is lower than 21. If the average score is lower than 15, one or both parts must be repeated.
If the oral exam is not taken, the exam mark coincides with the average of the scores obtained in the two parts of the written exam, rounded up to the integer. It is always possible to take an optional oral exam.
Office hours
By appointment via e-mail.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Roberto Benocci
-
Elia Arturo Vallicelli
-
Giovanni Zambon
