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1 Corso di Fisica con esercitazioni corso di laurea in Biotecnologie Industriali - CTF (7 CFU 60 ore) Docente: Pier Carlo Ricci Ricevimento: Mar, Gio, 13-14; oppure su appuntamento (meglio una mail di conferma) carlo.ricci@dsf.unica.it Dipartimento di Fisica ( ) Cittadella Universitaria di Monserrato - Cagliari

2 Orari Lezioni: inizio ore 10:15 Orientativamente: 2 ore accademiche di teoria 1 ora accademica di esercitazioni (esercizi sostegno) Le lezioni seguiranno il calendario previsto: Martedì e Giovedì Eventuali variazioni verranno comunicate tramite avvisi sulla pagina del docente e sito Biotin

3 Programma Vettori, Unità di misura, Meccanica di un punto materiale: Cinematica, Dinamica Meccanica dei fluidi Vibrazioni e onde Elettricità Magnetismo Natura ondulatoria della luce Ottica geometrica Testi consigliati: Principi e applicazioni, D. C. Giancoli (GEA) Fisica. Principi di Fisica, Serway, EdiSES Principi di Fisica, Borsa Lasciallfari EdiSES Fondamenti di Fisica, Walker, Zanichelli Qualunque testo di Fisica generale di livello universitario

4 Obiettivi Al termine del corso gli studenti dovrebbero aver acquisito la conoscenza dei principali fenomeni fisici che sono prerequisiti di base per il proseguimento del corso di studi: concetto di energia, meccanica dei fluidi, fenomeni elettrostatici ed elettromagnetici, fenomeni ondulatori. Oltre alla conoscenza dei concetti esposti, dovranno essere in grado di applicarli a semplici esercizi e ai fenomeni osservabili quotidianamente. L'abilità comunicativa dei concetti esposti è un obiettivo secondario ma importante del corso Prerequisiti Indispensabili nozioni di matematica di base e geometria di base. Utile (ma non richiesto) possedere già i concetti più elementari di fisica classica.

5 Pre-esami Orientativamente 7 Novembre 9 Novembre Dicembre o nella prima settimana di gennaio Solo per: iscritti al primo anno per studenti che seguono il corso non del I anno Firme durante la lezione. Superando (>17) entrambi i parziali si può ottenere direttamente una valutazione definitiva valida per la sessione invernale Iscrizioni: tramite sito web Esse3 università.

6 Esame «Standard» Più informazioni: Prova scritta 10 domande a risposta multipla (1 punto per ciascuna risposta corretta) 2 esercizi più ampi da commentare (10 punti ciascuno) Prova orale Conferma delle nozioni Prova in itinere 10 esercizi e quesiti a risposta multipla 2 esercizi con spiegazione teoria.

7 Nessun pre requisito di Fisica richiesto! Nozioni di matematica utilizzate Livello non avanzato Algebra elementare (manipolazione e operazioni con monomi e polinomi) Equazioni di primo e secondo grado Elementi di geometria analitica e trigonometria Nozioni elementari di analisi matematica: Concetto di funzione e sua rappresentazione grafica, Calcolo di semplici derivate e integrali

8 Sufficiente (da 18 a 20/30) Il candidato dimostra poche nozioni acquisite, livello superficiale, molte lacune. capacità espressive modeste, ma comunque sufficienti a sostenere un dialogo coerente; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di livello elementare; scarsa capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piuttosto stentata; scarsa interazione con il docente durante il colloquio. b) Discreto (da 21 a 23/30) Il candidato dimostra discreta acquisizione di nozioni, ma scarso approfondimento, poche lacune; capacità espressive piú che sufficienti a sostenere un dialogo coerente; accettabile padronanza del linguaggio scientifico; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di moderata complessità; più che sufficiente capacità di sintesi e capacità di espressione grafica accettabile. c) Buono (da 24 a 26) Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni piuttosto ampio, moderato approfondimento, con piccole lacune; soddisfacenti capacità espressive e significativa padronanza del linguaggio scientifico; capacità dialogica e spirito critico ben rilevabili; buona capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piú che accettabile. d) Ottimo (da 27 a 29) Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso, ben approfondito, con lacune marginali; notevoli capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; notevole capacità dialogica, buona competenza e rilevante attitudine alla sintesi logica; elevate capacità di sintesi e di espressione grafica. e) Eccellente (30) Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso e approfondito, eventuali lacune irrilevanti; elevate capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; ottima capacità dialogica, spiccata attitudine a effettuare collegamenti tra argomenti diversi; ottima capacità di sintesi e grande dimestichezza con l espressione grafica. La lode si attribuisce a candidati nettamente sopra la media, e i cui eventuali limiti nozionistici, espressivi, concettuali, logici risultino nel complesso del tutto irrilevanti.

9 Cosa Studia la Fisica?

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11 Metodo Fisico MISURA DI GRANDEZZE FISICHE 1 Osservazione sperimentale Modello Teoria Fenomeni generale Teoria 2 F ma Formulazione matematica delle leggi fisiche c C m Q mt F l 0I1I 2a 2

12 La misura di una grandezza fisica è sempre affetta da errore Errore: stima di quanto la grandezza misurata si discosta dal valore vero Errori delle misure: Errori Sistematici Avvengono sempre nello stesso senso (direzione) Errori Casuali Incertezze sperimentali legate alla ripetizione di una misura

13 Grandezze fisiche definizione quantitativa, caratterizzato da un numero ed una unità di misura. Definizione operativa: a) unità di misura b) criterio di confronto c) operazione di somma e differenza MISURA = PROCEDURE e di CONVENZIONI che consentono di assegnare ad una grandezza un valore ed una unità di misura. Unità di misura = intensità di una grandezza fisica alla quale si rapporta l intensità della stessa specie. Procedure = Insieme di operazioni e di relazioni matematiche che correlano le grandezze fra loro. Convenzioni = scelta del campione di misura. Campione di misura = sistema fisico che realizza unità di misura: Precisione, Invarianza Riproducibilità, Accessibilità

14 Grandezze fisiche fondamentali e unità di misura Tutte le grandezze fisiche possono essere espresse in funzione di un insieme limitato di grandezze fondamentali Un sistema di unità di misura definisce le grandezze fisiche fondamentali e i corrispondenti campioni unitari (unità di misura) Sistema Internazionale (S.I.) Grandezza fisica Unità di misura Lunghezza [L] metro (m) Tempo [t] secondo (s) Massa [M] chilogrammo (kg) Intensità di corrente [i] ampere (A) Temperatura assoluta [T] grado Kelvin (K)

15 Grandezze fondamentali e derivate Sistemi di unità di misura Insieme prescelto di unità di misura Sistema di unità di misura Ogni sistema distingue le grandezze in fondamentali e derivate. Le grandezze fondamentali sono grandezze indipendenti le cui unità di misura sono scelte arbitrariamente dalle quali si ottengono tutte le altre grandezze. Le grandezze derivate sono quelle definite da una relazione in rapporto a grandezze fondamentali. C.G.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T] centimetro, grammo, secondo M.K.S.: lunghezza [L], massa [M], tempo [T] metro, chilogrammo, secondo MKS + Kelvin [K] (Temperatura) & Ampere [I] (Intensità di corrente) = S.I.

16 Grandezze fisiche derivate Le rimanenti grandezze fisiche sono derivate a partire dalle grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche Alcuni esempi: Superficie (lunghezza) 2 [L] 2 m 2 Volume (lunghezza) 3 [L] 3 m 3 Velocità (lunghezza/tempo) [L][t] -1 m s -1 Accelerazione (velocità/tempo) [L][t] -2 m s -2 Forza (massa*accelerazione) [M][L][t] -2 kg m s -2 Densità (massa/volume) [M][L] -3 kg m -3 Pressione (forza/superficie) [M][L] -1 [t] -2 kg m-2 s-2...

17 Accessibilità ed invariabilità dei campioni Il metro è la lunghezza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo 1/( ) s. Un anno luce Raggio medio della Terra campo di calcio Mosca domestica Diametro di un protone 9.5x10 15 m 6.4x10 6 m 9.1x10 1 m 5.0x10-3 m 1.0x10-15 m Pt - Ir 1 m

18 Un secondo è pari a volte il periodo di oscillazione della radiazione dell atomo di Cs 133 Età della Terra 1.3x10 17 s Un anno 3.2x10 7 s Un giorno 8.6x10 4 s T (=550 nm) 2x10-15 s the scale of the universe

19 Il chilogrammo è la massa del campione di massa, un cilindro di Pt-Ir Pt - Ir Terra Uomo Atomo di H 6x10 24 kg 7.5x10 1 kg 1.67x10-27 kg

20 Analisi dimensionale e omogeneità delle equazioni v = spazio / tempo [v] = [LT -1 ] S.I: m/s C.G.S.: cm/s Verifica dimensionale di un equazione U = mgh [U] = [ML 2 T -2 ] [mgh] = [MLT -2 L]=[ML 2 T -2 ] Grandezze adimensionali: prive di dimensioni, espresse da un numero, indipendenti dal sistema di misura (es. densità relativa) Grandezze scalari: modulo (es. il tempo, la massa,la temperatura): numero e una unità di misura Grandezze vettoriali: modulo, direzione e verso (es. velocità, forza): tre numeri ed una unità di misura

21 Conversione delle unità di misura Es: un corpo percorre 5 m in 4 minuti, v = spazio / tempo =? S.I.: v = 5/240 = m/s C.G.Sv = 500/240 = 2.1 cm/s Analisi Dimensionale

22 Si definisce ordine di grandezza di un numero la potenza di 10 che meglio lo approssima Esempi: massa della Terra = 5,98x10 24 kg o.d.g. = kg massa del protone = 1,67x10-27 kg o.d.g. = kg the scale of the universe

23 Multipli e sottomultipli PREFISSO VALORE SIMBOLO PREFISSO VALORE SIMBOLO DECA 10 da DECI 10-1 d ETTO 10 2 h CENTI 10-2 c KILO 10 3 k MILLI 10-3 m MEGA 10 6 M MICRO 10-6 GIGA 10 9 G NANO 10-9 n TERA T PICO p PETA P FEMTO f

24 Esempi di grandezze fisiche caratteristiche raggio dell'universo m raggio della galassia m raggio del Sole m raggio della Terra 6, m lunghezza d onda della luce visibile m = 0.5μm raggio di un atomo m = 100 pm = 1Å raggio di un nucleo m=1 fm età dell universo s un anno 3, s periodo di oscillazione della nota LA 2, s = 2,3 ms tempo di transizione tra livelli atomici 10-8 s = 10 ns tempo di commutazione di un transistor 10-9 s = 1 ns periodo di oscillazione della luce visibile s = 10 fs massa dell universo kg massa della galassia kg massa del Sole kg massa della Terra kg massa del protone 1, kg massa dell elettrone 9, kg

25 Sapendo che il raggio della Terra è R=6 x10 3 Km Calcolare: Il Volume in Km 3 in m 3 La Superficie Km 2 m 2 Volume di una Sfera: 4/3 r 3 4r 2 Km 3

26 Sistema di riferimento: cartesiano (x, y, z) ad ogni punto P nello spazio si può associare una terna di numeri z p P y p x p O un vettore si rappresenta mediante un segmento orientato

27 Algebra vettoriale A v B modulo, direzione e verso A punto di applicazione Somma e differenza di vettori: a + b = c b a c metodo grafico: regola del parallelogramma Proprietà della somma: a + b = b + a (commutativa) (a + b) + c = a + (b + c) (associativa) a c b Il vettore opposto: b + (-b) = 0 b a c -b risultante a = c - b -b

28 Scomposizione di un vettore scomposizione v y y Nel piano v x = v cos v y = v sin v = (v x2 +v y2 ) O v x x v x = v x i v y = v y j v = v x +v y = v x i + v y j Nello spazio i, j e k versori (vettori unitari) a = b a x =b x ; a y =b y ; a z =b z a = -b a x =-b x ; a y =-b y ; a z =-b z c = a + b c x =a x +b x ; c y =a y +b y ; c z =a z +b z Prodotto di un vettore per uno scalare: b = k a a b k = 4

29 Prodotto tra 2 vettori b Prodotto scalare tra 2 vettori: a x b = ab cos proprietà. commutativa a x b = b x a proprietà. distributiva (a + b) x c = (a x c) + (b x c) Prodotto vettoriale tra 2 vettori: a b = c a modulo c =ab sen direzione e verso: regola della mano destra Non gode della proprietà commutativa (a b) = - (b a); se v a a x v = v x a = 0 da cui (a b) x a = (b a) x a = 0 c b a

30 Prodotto scalare b a b = a b cos = a b' b' a b' = b cos : componente di b lungo a Es.: = 0 o a b a b = ab cos f = ab = 90 a b a b = ab cos = 0 = 180 a b a b = ab cos = ab

31 Prodotto vettoriale c c = a b b b" a Modulo di c : c = a b sen = a b b a b'' Direzione di c: ortogonale ad a e b b b : componente di b ortogonale ad a Verso di c: verso di avanzamento di una vite che ruota sovrapponendo a su b