FISICA GENERALE I

Anno accademico 2023/2024 - Docente: SALVATORE PLUMARI

Risultati di apprendimento attesi

Lo studente acquisirà le nozioni fondamentali per la comprensione della Meccanica Classica, dei Fenomeni Ondulatori, della Meccanica dei Fluidi e della Termodinamica. Mediante esercizi da risolvere in aula e a casa, lo studente sarà abituato alla risoluzione di problemi concreti. Lo studente che avrà acquisito gli argomenti e le metodologie del corso, sarà in grado di affrontare e risolvere problematiche di vario genere tramite un approccio logico-scientifico.


In particolare, il corso si propone i seguenti obiettivi:

Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge & understanding): lo studente sarà introdotto alla conoscenza di base delle leggi della fisica classica (meccanica, fluidi e termodinamica). Lo studente svilupperà la capacità di comprensione dei fenomeni fisici più importanti legati al programma del corso.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying knowledge and understanding):  lo studente sarà avviato ad una applicazione in ambiti pratici delle conoscenze acquisite, con continui esempi di fisica applicata per la comprensione del mondo reale.

Autonomia di giudizio (Making judgements): lo studente verrà indotto ad una analisi critica del livello di conoscenza acquisito, spingendolo ad una autovalutazione delle proprie conoscenze e capacità, cercando di sviluppare un’autonomia di giudizio sugli obiettivi raggiunti.

Abilità comunicative (Communication skills): l’interazione con il docente e con i colleghi saranno stimolate per incrementare le capacità comunicative degli studenti.

Capacità di apprendimento (Learning skills): Capacità di apprendimento dei concetti scientifici propri della Fisica, necessari per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.



Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'attività didattica consiste di lezioni frontali ed esercitazioni per un totale di 9 CFU (73 ore). Le esercitazioni prevedono la risoluzione, sia guidata sia autonoma, di compiti ed esercizi. Ove possibile, sono utilizzate strategie innovative di insegnamento ed apprendimento.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

NOTA BENE: Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del nostro Dipartimento, Prof. Filippo Stanco

Prerequisiti richiesti

sono considerate importatni per il corso la conoscenza di nozioni di geometria, di algebra vettoriale, di algebra lineare, 

di trigonometria e conoscenza di argomenti di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale).

Frequenza lezioni

Frequenza delle lezioni fortemente consigliata.

Contenuti del corso

1. Introduzone: Grandezze Fisiche e cenni di Calcolo Vettoriale

Il metodo scientifico in Fisica. Leggi e principi. Definizione operativa di una grandezza fisica; grandezze fisiche fondamentali e derivate, dirette e indirette. Analisi dimensionale delle grandezze fisiche. Grandezze fisiche fondamentali in Meccanica: massa, spazio e tempo. Unità di misura, multipli e sottomultipli, sistemi di unità di misura. Grandezze fisiche scalari e vettoriali. Operazioni con i vettori: somma e differenza di vettori, prodotto di uno scalare per un vettore, prodotto scalare tra vettori, prodotto vettoriale; derivata di un vettore. Versori, derivata di un versore. Scomposizione di un vettore rispetto ad assi generici e rispetto ad assi cartesiani.


2. Cinematica del punto materiale

La schematizzazione di punto materiale. Sistemi di Riferimento: il sistema di coordinate cartesiane, ascissa curvilinea, il sistema di coordinate polari, il sistema di coordinate sferiche. Legge oraria e traiettoria, diagramma orario. Vettori posizione e spostamento di un punto materiale in 3 dimensioni. Velocità media e istantanea; accelerazione media e istantanea. Classificazione dei moti. Il problema inverso della cinematica e le condizioni iniziali di un problema. Moto rettilineo uniforme. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Moto del grave. Moto del proiettile: traiettoria, altezza massima, gittata, tempo di volo, velocità al suolo; Moto circolare uniforme: velocità angolare, accelerazione centripeta. Moto circolare uniformemente accelerato: accelerazione angolare; accelerazione centripeta e tangenziale, accelerazione lineare. Moto periodico: periodo, pulsazione e frequenza. Moto armonico semplice. Moti relativi nel caso semplice di moto traslatorio rettilineo uniforme tra sistemi di riferimento: le trasformazioni galileiane.


3. Dinamica del punto materiale: leggi di Newton e Forze

La grandezza fisica forza: definizione operativa statica e dinamica, il dinamometro. Sistemi di Riferimento Inerziali. I principi fondamentali della dinamica del punto materiale: il Principio Zero o di Relatività di G. Galilei; il I Principio della dinamica o Principio di Inerzia; il II Principio della dinamica o seconda Legge di Newton, il III Principio della dinamica o Principio di Azione e Reazione. Invarianza e covarianza delle leggi fisiche in presenza di sistemi di riferimento inerziali. Massa inerziale e massa gravitazionale. Quantità di moto e impulso. Forze costanti: la forza peso, la forza di attrito: reazione vincolare, attrito statico e dinamico. Piano inclinato liscio e scabro. Tensioni e vincoli: fili e carrucole ideali. Dinamica del moto circolare. Il pendolo semplice. Forze dipendenti dalla posizione: la forza elastica; molle ideali e reali. Forze che dipendono dalla velocità: forza di resistenza del mezzo o forza di attrito; caduta libera di un grave in aria: risoluzione dell'equazione diffe enziale del moto. Momento di una forza rispetto a un polo. Momento angolare o della quantità di moto rispetto a un polo. Relazione tra momento della forza e derivata del momento angolare (con dimostrazione). Conservazione del momento angolare. Fenomeni oscillatori: l’oscillatore armonico, moto armonico semplice e sua correlazione con il moto circolare uniforme, moto armonico smorzato, oscillazioni forzate e risonanza.


4. Dinamica del punto materiale: Lavoro ed Energia

Lavoro di una forza costante e di una forza variabile. Potenza. Energia cinetica. Teorema delle Forze vive o Teorema dell’Energia Cinetica. Campi di forze conservativi. Proprietà delle forze conservative. Energia potenziale. Alcuni campi conservativi: Forza peso, Forza elastica, Forze centrali a simmetria sferica, Forza centrifuga. Forze non conservative. Conservazione dell’Energia Meccanica.


5. Dinamica dei Sistemi di punti materiali e del Corpo Rigido

Sistemi di punti materiali: modellizzazione discreta e continua. Centro di Massa di un sistema di punti materiali. Forze interne, forze esterne. Quantità di moto totale di un sistema di punti materiali. Momento totale delle forze esterne per un sistema di punti materiali. Momento angolare totale per un sistema di punti materiali. Energia cinetica per un sistema di punti materiali. Teoremi di König. Principio di conservazione della quantità di moto totale per un sistema di punti materiali e casi notevoli. Dinamica degli Urti: urti elastici e anelastici. La schematizzazione di corpo rigido. Gradi li libertà. Momento di Inerzia, calcolo del momento di inerzia per casi notevoli. Teorema di Huygens-Steiner. Energia cinetica per un corpo rigido. Moto dei corpi rigidi: moto traslatorio; moto rotatorio: precessione del vettore momento angolare totale, espressione del momento angolare assiale; moto roto-traslatorio: puro rotolamento. Attrito volvente. Assi di simmetria, assi di inerzia, assi centrali. Rotazione di un corpo rigido attorno ad un asse fisso: equazione assiale del moto, conservazione del momento angolare assiale. Il pendolo fisico.


6. Gravitazione

Leggi di Keplero. La legge di Gravitazione Universale. Massa inerziale e massa gravitazionale. Campo gravitazionale ed energia potenziale gravitazionale. Teorema di Gauss, distribuzione sferica di massa.


7. Fenomeni ondulatori

Introduzione ai fenomeni ondulatori. Onde elastiche in una sbarra solida. Onde in una corda tesa.


8. Fluidostatica e Fluidodinamica

La modellizzazione di fluido perfetto. Pressione. Equazione fondamentale della fluidostatica. Legge di Stevino. Esperienza di Torricelli. Principio di Pascal. Principio di Archimede. Regime stazionario. Linea di flusso, tubo di flusso. Equazione di continuità per i fluidi in movimento: la portata. Teorema di Bernoulli.


9. Termodinamica

Introduzione alla Termodinamica: Principio Zero della termodinamica, definizione di temperatura e scelta della scala termometrica, termometro a volume costante, scala Celsius e Kelvin. Gas ideali: Leggi di Boyle-Mariotte, Charles e Gay-Lussac, equazione di stato del gas perfetto. Lavoro di trasformazioni termodinamiche. Calore. Energia Interna. Primo Principio della termodinamica, trasferimento del calore. Capacità termica, capacità termica specifica a pressione o volume costante, relazione di Mayer per gas perfetti, calori latenti. Dilatazione termica. Calore trasferito in trasformazioni termodinamiche qualsiasi per un gas perfetto, trasformazioni adiabatiche, trasformazioni cicliche e definizione di rendimento o coefficiente di prestazione, ciclo di Carnot ideale. Secondo Principio della termodinamica: postulati di Kelvin-Planck e di Clausius e loro equivalenza. Teorema di Carnot e macchine reali, teorema e diseguaglianza di Clausius, definizione di entropia e sue proprietà, variazione di entropia dell’universo.

Testi di riferimento

1) S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa, Fisica Generale-Meccanica e Termodinamica – Casa Editrice Ambrosiana - II edizione. 

2) P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Fisica – Volume I - EdiSES - Seconda Edizione. 

3) D. Sette, A. Alippi, A. Bettucci, Lezioni di Fisica 1- Meccanica Termodinamica – Zanichelli -Seconda edizione. 

Testo per esercizi e problemi inerenti argomenti in programma 

- M. Zani, L. Duò, P. Taroni, Esercizi di Fisica- Meccanica e Termodinamica - EdiSES

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Introduzione: Grandezze Fisiche e cenni di calcolo vettoriale (5 ore)Testo 1: Cap.1-2;Testo 2: Appendice B-C
2Cinematica del punto materiale (10 ore)Testo 1: cap. 3;Testo 2: Cap.1
3Dinamica del punto materiale: leggi di Newton e Forze (10 ore)Testo 1: cap. 4-5;Testo 2: Cap.2-3
4Dinamica del punto materiale: Lavoro ed Energia (8 ore)Testo 1: cap. 6;Testo 2: Cap.2-3
5Dinamica dei Sistemi di punti materiali e del Corpo Rigido (10 ore)Testo 1: cap. 7-8;Testo 2: Cap.4 e 6
6Gravitazione (4 ore)Testo 1: cap. 9;Testo 2: Cap.5
7Fenomeni ondulatori (4 ore)Testo 1: cap. 11;Testo 2: Cap.9
8Fluidostatica e Fluidodinamica (6 ore)Testo 1: cap. 10;Testo 2: Cap.8
9Termodinamica (16 ore)Testo 1: cap. 12-14;Testo 2: Cap.10-12

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova di esame si articola in prove scritte e orali. L’ammissione alla prova scritta è soggetta alla prenotazione sulla piattaforma Portale Studente. Per ogni appello è pubblicato un intervallo preciso di date in cui è possibile prenotarsi. Alla fine della prova scritta, lo svolgimento del test viene pubblicato su STUDIUM, allo scopo di sollecitare un processo di autovalutazione del test. I risultati delle prove scritte vengono pubblicati su STUDIUM.

 

Prova in itinere. Sono previste due prove in itinere, non obbligatorie, della durata di 1 ora ciascuna, la prima calendarizzata durante la pausa didattica del primo semestre e la seconda dopo la fine del corso. La prima prova in itinere consiste nella risoluzione di 2 problemi relativi agli argomenti del programma svolti prima della pausa didattica. La seconda prova in itinere consiste invece nella risoluzione di 2 problemi relativi agli argomenti del programma svolti dopo la pausa didatticaAlla risoluzione di ogni problema è assegnato un punteggio compreso tra 0 e 7,5. Se il punteggio globale conseguito nelle due prove in itinere è pari o superiore a 18/30, è possibile sostenere direttamente la prova orale in uno degli appelli della prima sessione. Se invece il punteggio globale conseguito nelle due prove in itinere è inferiore a 18/30 si è sconsigliati/e dal sostenere la prova orale. Essere sconsigliati/e non equivale tuttavia ad un divieto formale a sostenere la prova orale. Questa va comunque sostenuta in uno degli appelli della prima sessione di esami per studenti in corso.


- Prova scritta. La prova scritta deve essere sostenuta in uno degli appelli previsti dal calendario, previa opportuna prenotazione sulla piattaforma Smart_Edu (Portale Studente). Tipologia: risoluzione, giustificata e commentata in maniera chiara, di quattro problemi, il cui livello di difficoltà è simile agli esercizi svolti in aula. Durata: 120 minuti. Valutazione: da 0 fino a 7,5 punti per ogni problema ben svolto. La valutazione della risoluzione del problema terrà conto: della completezza della descrizione del Modello Fisico e di quello Matematico utilizzati per la risoluzione, della correttezza della trattazione matematica e della correttezza del risultato, sia da un punto di vista numerico che dimensionale. Ogni prova scritta si considera superata se si è conseguito un voto non inferiore a 18/30 con un voto inferiore a 18/30 si è sconsigliati dal sostenere la prova orale. Essere sconsigliati dal sostenere la prova orale non equivale tuttavia ad un divieto formale a sostenere la prova orale.

NOTE per le prove scritte: i) Durante le prove scritte sono ammessi esclusivamente penna, matita e calcolatrice. NON sono ammessi libri, formulari, cellulari, consultazioni tra colleghi. ii) Chi, avendo superato una prova scritta, si presenta ad una seconda prova scritta perde il risultato della prima prova (anche se decide di ritirarsi dalla seconda).

 

- Prova orale. La prova orale consiste nella trattazione di almeno tre distinti argomenti del programma, di cui il primo a scelta dell'allievo/a. Durante la prova orale può essere richiesta la dimostrazione di teoremi e di risultati importanti inclusi nel programma con valutazioni numeriche dell'ordine di grandezza delle grandezze fisiche che sono coinvolte in un dato fenomeno. La prova orale viene sostenuta in una data successiva alla prova scritta entro lo stesso appello della prova scritta. La valutazione terrà conto dei seguenti aspetti: la pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate,  il livello di approfondimento dei contenuti esposti, la capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma, la capacità di riportare esempi, il corretto utilizzo degli strumenti formali, la proprietà di linguaggio e la chiarezza espositiva.

Per l'attribuzione del voto si seguiranno di norma i seguenti criteri:

non approvato: lo studente non ha acquisito i concetti di base e non è in grado di svolgere gli esercizi.

18-23: lo studente dimostra una padronanza minima dei concetti di base, le sue capacità di esposizione e di collegamento dei contenuti sono modeste, riesce a risolvere semplici esercizi.

24-27:  lo studente dimostra una buona padronanza dei contenuti del corso, le sue capacità di esposizione e di collegamento dei contenuti sono buone,  risolve gli esercizi con pochi errori.

28-30 e lode: lo studente ha acquisito tutti i contenuti del corso ed è in grado di esporli compiutamente e di collegarli con spirito critico; risolve gli esercizi in modo completo e senza errori.


NOTA BENE: Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del nostro Dipartimento, Prof. Filippo Stanco.


Le regole sopra riportate devono intendersi come indicazioni utili allo studente per la corretta programmazione e la opportuna preparazione agli esami, ma non costituiscono vincolo alcuno al giudizio della commissione d’esame.


Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Le domande poste durante la prova orale d'esame saranno relative esattamente agli argomenti del

programma. Ad esempio:

"enunciare e dimostrare il principio di conservazione dell’energia meccanica"

"dimostrare che una forza centrale è conservativa"

"discutere le 3 leggi della dinamica di Newton"

"dimostrare il principio di conservazione della quantità di moto"

"discutere della dinamica di un corpo rigido: gradi di libertà, equazioni del moto, leggi di

conservazione"

"discutere dell'equilibrio termodinamico e del principio dell’equilibrio termico"

"discutere gli enunciati del secondo principio della termodinamica e ne dimostri l'equivalenza"

 

Una raccolta di esercizi, molti dei quali assegnati durante le prove scritte d'esame sarà disponibile sulla

pagina del corso sul portale Studium (http://studium.unict.it), nella sezione Documenti.