ECTS - University of Pisa
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PHYSICS I
ALBERTO MARIA MESSINEO
Academic year2020/21
CourseENERGY ENGINEERING
Code011BB
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FISICA GENERALE IFIS/01LEZIONI120
GIOVANNI MAROZZI unimap
ALBERTO MARIA MESSINEO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Basilari:

  • Analisi e sintesi di concetti;
  • Risoluzione di problemi;
  • Applicazione della teoria alla pratica analitica;
  • Apprendere argomenti in maniera critica.

Affini/trasversali:

  • Metodi analitici ed interpretativi;
  • Versatilità ed adattamento a varie situazioni.

Caratterizzanti per il corso:

  • Introduzione al linguaggio della fisica come descrizione matematica dei fenomeni naturali;
  • Conoscenza delle leggi fondamentali della fisica classica con particolare attenzione all'uso del concetto di conservazione delle grandezze fisiche;
  • Descrizione di problemi fisici attraverso semplici modelli matematici.

Al termine del corso lo studente dovrà:

  • aver acquisito proprietà di linguaggio nella descrizione dei fenomeni naturali;
  • mostrare idonea conoscenza delle leggi fisiche elementari;
  • aver acquisito padronanza nella costruzione di modelli deterministici in grado di descrivere e predire l’evoluzione di sistemi naturali.
Knowledge

Basic skills:

  • Analysis and synthesis of concepts
  • Problem-solving;

  • Analytical application of theory to practice;
  • Learning out using critically thinking.

Related / Cross-Knowledge:

  • Analytical and interpretative methods;
  • Versatility and adaptation to various situations.

The course has the following characteristic knowledge:

  • Introduction to the language of physics and of the mathematical description of natural phenomena;
  • Knowledge of the fundamental laws of classical physics with particular emphasis on the use of the concept of conservation of physical quantities;

  • Description of physical problems through simple mathematical models.

The student who successfully completes the course: 

  • will acquire good language property in discussing natural phenomena;

  • will be able to demonstrate a solid knowledge of the fundamental laws of classical physics, with particular emphasis for the concept of conservation of physical quantities;

  • will be aware of the approach of physical problems through simple mathematical models.

Furthermore, the students are expected to develop a skill in building deterministic models in order to describe and predict the evolution of natural systems. 
Modalità di verifica delle conoscenze

 

  • Lo studente sarà valutato sulla capacità dimostrata di discutere i contenuti del corso utilizzando il linguaggio e la terminologia appropriata;
  • Nell'esame scritto lo studente deve dimostrare la conoscenza del materiale didattico e del metodo di come affrontare e risolvere i problemi della fisica classica;
  • Durante l'esame orale l'allievo deve essere in grado di dimostrare la conoscenza del materiale didattico applicato alla spiegazione dei fenomeni classici della fisica e l'applicazione dei principi fondamentali alla soluzione dei problemi della fisica classica;

metodi:

  • Esame orale finale;
  • Esame scritto finale;
  • Quiz periodici / scelta multipla.
Assessment criteria of knowledge
  • The student will be assessed on the demonstrated ability to discuss the main course topics using the appropriate terminology;
  • In the written exam the student must demonstrate the knowledge of the course material and of the method how to approach and solve problems in classical physics;
  • During the oral exam session, the student must be able to demonstrate the knowledge of the course material applied to the explanation of classical physics phenomena and application of basic principles to the solution of problems in classical physics.

Methods:

  • Final spoken examination;
  • Final written exam;
  • Periodic tests/quizzes with multiple answers.
Capacità

Al termine del corso lo studente avra acquisito capacità di

  • analisi e sintesi;
  • apprendimento delle leggi della fisica elementare;
  • applicazione la teoria alla pratica;
  • comprensione e costruzione di un modello matematico della realtà;
  • verifica concettuale e numerica di un modello matematico della realtà.
Skills

The student who successfully completes the course will acquire the following skills:

  • concepts analysis and synthesis
  • learning the laws of elementary physics;
  • apply the theoretical framework  to practice;
  • understanding and building a mathematical model of reality;
  • a conceptual and numerical verification of a mathematical model of reality.
Modalità di verifica delle capacità

La verifica delle capacità acquisite passa attraverso: 

  • le sessioni di esercitazione descrittive integrate alla didattica;
  • il supporto alla didattica, in cui vengono svolti interattivamente applicazioni a problematicche della fisica classica;
  • le prove in itinere, che  permettono di verificare le seguenti capacità:
  1. adattamento a nuove problematiche focalizzandosi su un ristetto numero di argomenti trattati;
  2. elaborazione matematica e numerica di nuove problematiche;
  3. organizzazione di una prova di abilita analitica in un tempo definito.
Assessment criteria of skills

Verification of acquired skills will be verified through:

  • integrated teaching descriptive exercises;
  • teaching support, where interactive applications are discussed on classical physics problems;
  • on-the-go periodic tests/quizzes, which allow you to test the following skills:
  1. adaptation to new issues focusing on a limited number of topics covered;
  2. mathematical and numerical processing of new problems;
  3. organization of analytical ability to successfully perform a test in a limited time.
Comportamenti

Il corso trasmette agli studenti i seguenti comportamenti  attitudinali

  • sensibilità alle problematiche della fisica classica;
  • applicazione nelle abitudini di studio della precisione e chiarezza di ragionamento, caratterisiche tipiche nel ragionamento fisico;
  • applicazione del rigore logico scientifico, precisione e chiarezza, nell'approccio a  problematiche note e non note;
  • modalita di funzionamento ed di applicazione del metodo scientifico come metodo di lavoro.
Behaviors

The course gives the students the following attitudinal behaviors

  • interest and curiosity for the problems of classical physics;
  • application in the habits of academic study framework of the precision and coherence of reasoning, a typical feature in physical reasoning;
  • application of scientific logical accuracy, precision, and clearness, in the approach to problems known and new ones;
  • mode of operation and application of the scientific method as a working method.
Modalità di verifica dei comportamenti

Nessuna.
Assessment criteria of behaviors

Empty.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze matematiche di base relative ad algebra elementare, alla geometria euclidea, alla geometria analitica ed alla trigonometria. Conoscenza del concetto generale di funzione matematica, derivata ed integrale. Capacita del calcolo di derivate ed integrali di funzioni elementari.
Prerequisites

Basic mathematical knowledge about elementary algebra, Euclidean geometry, analytical geometry, and trigonometry. Knowledge of the general concept of a mathematical function, derivative and integral. The capability of the mathematical solution for derivatives and integrals of elementary common functions. 
Indicazioni metodologiche

Il processo di apprendimento è organizzato in sequenza logica con valutazione intermedia degli obbiettivi di apprendimento raggiunti.

Si accompagna l’introduzione dei concetti fondamentali con esempi pratici durante le esercitazioni in aula. Viene inoltre fornito on-line materiale opzionale per lo studio a casa

E` fortemente consigliato seguire le lezioni frontali del corso e le esercitazioni programmate. 

  • le lezioni si svolgono in aula, con eventuale video proiezione;
  • sono previste sessioni settimanali di esercitazioni sui concetti sviluppati a lezione;
  • lo studente ha a disposizione un sito web del corso;
  • il materiale didattico e` disponibile nelle pagine web del corso, questo include: le lezioni tenute in aula e le esercitazioni svolte settimanalmente. Il tutto e` completato da una raccolta di esercizi propedeutici al superamento delle prove in itinere ed i testi delle sessioni d'esame;
  • l'interazione tra studente e docente avviene tramite: le lezioni frontali, i ricevimenti settimanali la posta elettronica di ateneo ed il forum presente nelle pagine web del corso;
  • sono programmate tre prove intermedie per la valutazione degli obiettivi del corso.
Teaching methods

The learning process is organized in a logical sequence with an intermediate evaluation of the learning achievements.

Basic concepts are approached with practical examples during classroom exercises. On-line optional home-based material is also provided

It is strongly suggested to follow the face to face lessons of the course and the scheduled exercises.

  • lessons are delivered face to face in the classroom, also by slide projection;
  • weekly practical sessions on concepts developed in the lesson;
  • the student has a course web site available;
  • the teaching material is available on the web pages of the course, including classroom lessons and weekly exercises. In addition, a collection of preparatory exercises to pass the exams and the texts of the past exam sessions is provided;
  • the interaction between a student and a lecturer is through frontal lessons, weekly tutorial-office hours, e-mail and the forum on the web pages of the course;
  • three intermediate tests are scheduled for the evaluation of the course objectives.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
  1. Grandezze scalari e vettoriali. Somma e scomposizione di vettori. Prodotto scalare e prodotto vettoriale.
  2. Inerzia ed equilibrio: prima legge della dinamica. Diagramma di corpo libero. Equilibrio traslazionale. Terza legge del moto di Newton. Forze interne ed esterne. Forza di gravità e peso. Forze di contatto. Forze di attrito statico e dinamico. Tensione.
  3. Posizione e spostamento. Velocità media ed istantanea. Accelerazione media ed istantanea. Seconda legge del moto di Newton. Effetto di una forza costante sul moto di un corpo. Velocità relativa e sistemi di riferimento.
  4. Moto uniformemente accelerato. Caduta libera. Moto di un proiettile. Resistenza dell'aria e velocità limite.
  5. Moto circolare: spostamento angolare, velocità e accelerazione angolare. Relazione tra velocità lineare ed angolare. Rotolamento. Accelerazione centripeta. Orbite circolari dei satelliti. Moto circolare non uniforme. Accelerazione tangenziale e angolare.
  6. Conservazione dell'energia. Forme di energia. Definizione di lavoro. Energia cinetica. Teorema delle forze vive. Forze conservative ed energia potenziale. Energia potenziale gravitazionale. Legge di Hook e molle ideali. Energia potenziale elastica. Potenza.
  7. Quantità di moto e impulso. Teorema dell'impulso. Formulazione della seconda legge di Newton mediante la derivata temporale della quantità di moto. Legge di conservazione della quantità di moto. Prima equazione cardinale dei sistemi. Centro di massa. Primo e secondo teorema del centro di massa. Urti elastici, anelastici e completamente anelastici.
  8. Energia cinetica rotazionale e momento d'inerzia. Momento di inerzia di corpi rigidi con distribuzione uniforme di massa di varie forme geometriche. Macchina di Atwood. Momento torcente. Braccio della forza. Baricentro e momento torcente della forza di gravità . Lavoro del momento torcente. Equilibrio di un corpo rigido. Relazione tra momento torcente ed accelerazione angolare di un corpo rigido. Corpi rigidi che rotolano senza strisciare. Definizione di momento angolare. Momento angolare di un corpo rigido. Relazione tra momento angolare e momento torcente. Legge di conservazione del momento angolare.
  9. Moto armonico semplice. Oscillatore armonico in presenza di una forza costante. Pendolo semplice: equazione differenziale esatta; limite delle piccole oscillazioni. Pendolo fisico: equazione differenziale, periodo delle piccole oscillazioni. Pendolo fisico costituito da una sbarretta omogenea.
  10. Gravitazione: Le leggi di Keplero; le traiettorie celesti come coniche; la legge di gravitazione universale di Newton; energia potenziale gravitazionale; velocità di fuga
  11. Stati di aggregazione della materia. Fluidi. Definizione di pressione e densità . Principio di Pascal. Effetto della forza di gravità sulla pressione di un fluido. Metodi di misura della pressione: manometro, barometro, sfigmomanometro. Principio di Archimede. Peso specifico relativo. Galleggiamento.
  12. Accelerazione di un corpo immerso in un fluido in assenza di viscosità . Fluidi in movimento. Moto di un fluido ideale, incomprimibile in regime stazionario. Definizione di: linea di flusso, flusso laminare, portata in massa, portata in volume. Equazione di continuità e di Bernoulli. Teorema di Torricelli. Venturimetro. Fibrillazione arteriosa. Aneurisma. Viscosità. Legge di Poiseuille. Resistenza viscosa. Legge di Stokes. Velocità limite. Viscosita e portanza.
Syllabus

The course provides a systematic introduction to the principles of classical physics. The topics covered are:

  • the description of some fundamental interactions in nature;
  • the laws of motion;
  • the concepts of work and energy, the principles of conservation of energy and momentum;
  • angular quantities and description of rigid body dynamics;
  • elementary concepts in electricity and gravitation. 

Particular relevance is given to the numerical description of physical phenomena and their representation by mathematical models. The possibilities and limits of the description of the evolution of some simple physical systems are discussed through ordinary differential equations. The needed mathematical theory, not known by mathematical analysis, will be  approached in the form directly usable for the discussion of the systems studied. Numerical simulations are used to study complex systems. In detail:

  1. Physical size and measurement operations. Samples, units of measure.
  2. Vector and operations between vectors.
  3. Kinematic concepts: speed and acceleration. Linear and Circular motion.
  4. Long distance  and contact forces. Strength of gravity, and its approximation near the Earth's surface. Composition and decomposition of forces applied to a material point.
  5. Inertial mass concept. 
  6. The three laws of Dynamics. The laws of motion build from the Newton principles.
  7. Contact forces. Constraints and reactions. Static friction and dynamic friction forces. Examples of speed-proportional forces, position-dependent forces (elastic forces and Hooke's law).
  8. Concepts of Work, energy and power. Conservative forces, potential energy, principle of conservation of mechanical energy.
  9. Description of  dynamic systems with linear differential equations with homogeneous and non-homogeneous constant coefficients. Examples: viscous fluid motion (first order), harmonic oscillator and simple pendulum under the small oscillation regime (second order). Modeling of first and second order linear deterministic systems. Nodal and focal stability. Physical Examples: Ideal harmonic oscillator, damped, unstable. Evolution operator, eigenvalues and eigenvectors of the evolution operator and their physical meaning. Linear systems and phase space. Numerical methods for dynamic systems description: Euler and Heun methods.
  10. Linear momentum and impulsive forces, linear momentum conservation, elastic and anelastic impacts, ballistic pendulum.
  11. Angular velocities and angular accelerations in rigid bodies. Angular momentum and conservation, force-torque and cardinal dynamics equation.
  12. Gravitation: Kepler's laws; the celestial trajectories as conic; the universal gravitational law of Newton; gravitational potential energy; escape speed
  13. States of aggregation of the matter. Fluids. Definition of pressure and density. Pascal's principle. Effect of gravity on the pressure of a fluid. Pressure measurement methods: pressure gauge, barometer, sphygmomanometer. Principle of Archimedes. Relative specific gravity. Floating.
  14. Acceleration of a body immersed in a fluid in the absence of viscosity. Fluids in motion. The motion of an ideal fluid, incompressible in steady-state. Definition of: flow line, laminar flow, mass flow, volume flow. Equation of continuity and Bernoulli. Torricelli's theorem. Venturi. Arterial fibrillation. Aneurysm. Viscosity. Law of Poiseuille. Viscous resistance. Stokes law. Limit speed. Viscosity and lift.
Bibliografia e materiale didattico

Rosati,Fisica Generale VolumeI-2aEd.Casa Editrice Ambrosiana

Mazzoldi-Nigro-Voci, Fisica Generale Volume I,Meccanica e Termodinamica

P.A.Tipler,G.Mosca: Corso di Fisica, vol.1(Meccanica OndeTermodinamica)-Zanichelli

Focardi-Massa-Uguzzoni-Villa, Fisica Generale VolumeI ,Meccanica e Termodinamica

 

Rosati,R.Casali, Problemi di Fisica Generale–VolumeI-2a Ed.,Meccanica,Termodinamica,Teoria cinetica deig as-Casa Editrice Ambrosiana

LuigiE.Picasso: Esercitazioni di Fisica Generale 1-ETS
Bibliography

Rosati,Fisica Generale VolumeI-2aEd.Casa Editrice Ambrosiana

Mazzoldi-Nigro-Voci, Fisica Generale Volume I,Meccanica e Termodinamica

P.A.Tipler,G.Mosca: Corso di Fisica, vol.1(Meccanica OndeTermodinamica)-Zanichelli

Focardi-Massa-Uguzzoni-Villa, Fisica Generale VolumeI ,Meccanica e Termodinamica

 

Rosati,R.Casali, Problemi di Fisica Generale–VolumeI-2a Ed.,Meccanica,Termodinamica,Teoria cinetica deig as-Casa Editrice Ambrosiana

LuigiE.Picasso: Esercitazioni di Fisica Generale 1-ETS
Indicazioni per non frequentanti

Gli argomenti sonoe lencati in dettaglio nel registro delle lezioni ed in particolare nel sito e-learning con riferimento al testo adottato.E' consigliata l'interazione (anche via e-mail se non altrimenti possibile) con il docente.
Non-attending students info

The topics are listed in detail in the register of lectures and in particular in the e-learning site with reference to the text adopted. It is recommended to interact (also via e-mail if not otherwise possible) with the teacher.
Modalità d'esame

Scritto e orale.

All’orale si accede se lo scritto è superato con una votazione superiore o pari a 18/30.

Dall'esame scritto è esonerato chi supera le prove in itinere con una media superiore o pari a 18/30. Le prove in itinere saranno tre con la possibilità di recupero di una sola delle due prove a fine corso. Ciascuna prova in itinere consiste nella soluzione di 10 domande, in cui vencono fornite risposte multiple.

Le prove in itinere sono considerate valide per l’ammissione agli orali della sola sessione estiva (giugno-settembre).

Modalità degli scritti: soluzione con svolgimento esteso di problemi di fisica analoghi a quelli trattati durante il corso. Ciascuna prova scritta consiste in 2 problemi. Ciascun  proglema consiste enlla soluzione di 5 domande di eguale valore nella costruzione della valutazione finale.

La validità degli scritti è estesa all’interno di ciascuna sessione. Le prove scritte valgono fino alla partecipazione all’orale ed in caso di abbandono o bocciatura all’orale, per l’ammissione ad un nuovo orale è necessario superare una nuova prova scritta.

La prova orale consiste in un colloqui con la commissione, due docenti, e verte su domande relative agli argomenti illustrati nel corso e loro semplici applicazioni, come la soluzione guidata di problemi simili a quelli delle prove scritte. 
Assessment methods

Access is granted if the written exam is passed with a grade higher than or equal to 18/30.

The written exam is exempt who passes the tests in itinere with an average higher or equal to 18/30. The tests in progress will be three with the possibility of recovering only one of the two tests at the end of the course. Each test in itinere consists of the solution of 10 questions, in which multiple answers are given.

The ongoing tests are considered valid for the admission to the oral examination of the summer session only (June-September).

Method of writing: solution with an extended performance of physical problems similar to those covered during the course. Each written test consists of 2 problems. Each program consists of the solution of 5 questions of equal value in the construction of the final evaluation.

The validity of the writings is extended within each session. The written tests are valid up to the participation in the oral exam and in case of abandonment or rejection of the oral exam, for the admission to a new oral exam, it is necessary to pass a new written test.

The oral test consists of interviews with the commission, two professors, and focuses on questions related to the topics presented in the course and their simple applications, such as the guided solution of problems similar to those of the written tests.
Altri riferimenti web

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Additional web pages

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Note

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Updated: 10/09/2020 13:05