ECTS - University of Pisa
Al termine del corso l’allievo deve aver compreso a fondo le leggi della meccanica di Newton e della termodinamica classica, essendo in grado di applicare tali leggi alla comprensione e soluzione di problemi che coinvolgono l’evoluzione dinamica di sistemi composti generalmente da oggetti di geometria e caratteristiche fisiche ideali.
At the end of the course, students should have a deep knowledge of the laws of Newton mechanics and classical thermodynamics. Students should also be able to apply those laws to model and solute problems involving the dynamical evolution of systems including usually bodies having ideal shapes and properties.
Esame finale.
Final exam.
Il corso di Fisica Generale I si propone di sviluppare negli allievi ingegneri la capacità di associare ai fenomeni naturali la loro descrizione analitica e matematica, formalizzando tramite le leggi della fisica classica i comportamenti meccanici e termici di sistemi semplificati.
The General Physics I course aims to develop in engineering students the ability to associate natural phenomena with their analytical and mathematical description, formalizing the mechanical and thermal behaviors of simplified systems through the laws of classical physics.
Esame finale.
Final exam.
Manipolazione di espressioni algebriche, soluzione di equazioni algebriche fino al II grado, sistemi di equazioni lineari, geometria elementare in due e tre dimensioni, notazione esponenziale e logaritmi, trigonometria, funzioni di una variabile reale, limiti, derivazione ed integrazione di funzioni, differenziali, studio di funzioni.
Manipulation of algebraic expressions, solution of algebraic equations up to II degree, systems of linear equations, elementary geometry in two and three dimensions, exponential notation and logarithms, trigonometry, functions of one real variable, limits, derivation and integration of functions, differentials, study of functions.
Seguire lezioni ed esercitazioni, studiare e svolgere molti esercizi a casa.
MISURA E VETTORI: Le origini della Fisica; campioni ed unità di misura; conversione di unità di misura; sistemi di unità di misura, il SI (Sistema Internazionale); cifre significative ed ordini di grandezza; sistemi di coordinate: cartesiane, cilindriche e sferiche; grandezze scalari e vettoriali; proprietà delle grandezze vettoriali; algebra vettoriale elementare.(L:3,E:2)
MOTO IN UNA DIMENSIONE: Moto unidimensionale; spostamento, distanza e velocità; accelerazione; moto uniformemente accelerato; moto vario; traiettoria e legge oraria; integrazione delle equazioni del moto; equazioni a variabili separabili; tecniche differenziali.(L:6,E:4)
MOTO IN DUE E TRE DIMENSIONI: Spostamento, velocità ed accelerazione vettoriali; moto dei gravi; parabole inerziali, alzo, gittata; moto circolare; velocità angolare; accelerazione centripeta e tangenziale.(L:3,E:2)
LE 3 LEGGI DELLA DINAMICA DI NEWTON: La prima legge di Newton; sistemi di riferimento inerziali; velocità ed accelerazione relative; massa; forza; LA SECONDA LEGGE DI NEWTON; relatività galileiana; forza di gravità e peso; forze di contatto; diagrammi di corpo libero; la terza legge di Newton; Problemi a due o più corpi.(L:6,E:4)
FORZE RILEVANTI PER LA MECCANICA ELEMENTARE: Attrito, caso statico e dinamico; resistenza aerodinamica ed idrodinamica; tensioni di corde ed elastici; le molle e la legge di Hooke; il baricentro; sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti.(L:3,E:2)
LAVORO ED ENERGIA CINETICA: Lavoro compiuto da una forza costante; lavoro per una forza variabile, caso rettilineo e curvilineo; integrale di linea; teorema del lavoro e dell'energia cinetica; potenza.(L:3,E:2)
CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA: Lavoro indipendente dal cammino; energia potenziale; energia meccanica; conservazione dell'energia meccanica; energia chimica, elettrica, termica; conservazione dell'energia.(L:3,E:2)
SISTEMI MECCANICI: Sistemi discreti e sistemi continui; densità lineare, di superficie e di volume; il centro di massa ed il calcolo della sua posizione.(L:3,E:2)
LA QUANTITA' DI MOTO: La quantità di moto; l'impulso di una forza; il moto del centro di massa; la prima equazione cardinale dei sistemi meccanici; il teorema dell'impulso; la conservazione della quantità di moto; quantità di moto ed energia di un sistema meccanico; il teorema di Koenig; urti elastici ed anelastici; urti in una o due dimensioni.(L:3,E:2)
MOTO ROTATORIO: Velocità ed accelerazione angolare di un sistema meccanico; energia cinetica di rotazione, calcolo del momento d'inerzia; assi principali; la seconda legge di Newton per il moto rotatorio; rotazione e rotolamento; velocità periferica.(L:3,E:2)
IL MOMENTO ANGOLARE: Natura vettoriale del moto rotatorio; momento meccanico; momento angolare di un sistema; momento angolare di un corpo rigido; la seconda equazione cardinale dei sistemi meccanici; impulso angolare; il teorema dell'impulso angolare; la conservazione del momento angolare; il teorema di Noether; urti con rotazioni.(L:6,E:4)
GRAVITAZIONE: Le leggi di Keplero; le traiettorie celesti come coniche; la legge di gravitazione universale di Newton; energia potenziale gravitazionale; velocità di fuga.(L:3,E:2)
EQUILIBRIO: Condizioni di equilibro, le sei equazioni della statica; il centro di gravità; equilibrio statico, stabile, instabile ed indifferente; problemi indeterminati.(L:3,E:2)
MECCANICA DEI FLUIDI: Densità; pressione in un fluido; legge di Torricelli; principio di Archimede; spinta di Archimede; centro di spinta e galleggiamento stabile; dinamica dei fluidi; flusso stazionario; portata; flusso irrotazionale; fluidi ideali; legge di Bernoulli; fluidi reali.(L:3,E:2)
OSCILLAZIONI: Equilibrio e piccole oscillazioni; oscillatore armonico semplice; equazione differenziale; pulsazione, frequenza e periodo; ampiezza e fase delle oscillazioni; oscillazioni smorzate; costante di tempo di smorzamento; caso sovrasmorzato, sottosmorzato e critico; oscillazioni forzate; risonanza.(L:3,E:2)
ONDE: oscillazioni di mezzi continui; dinamica di una corda tesa; equazione delle onde; soluzione di d'Alembert; velocità di propagazione; onde progressive ed onde regressive; onde piane; sovrapposizione di onde; estremi fissi; onde stazionarie.(L:3,E:2)
TEMPERATURA E TEORIA CINETICA: Equilibrio termico e temperatura; termometri a gas e temperatura assoluta; equazione di stato dei gas perfetti; teoria cinetica dei gas.(L:3,E:2)
CALORE E PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Capacità termica e calore specifico; cambiamenti di stato e calore latente; primo principio della termodinamica; energia interna di un gas perfetto; lavoro e diagramma PV per un gas; trasformazioni isocore, isobare ed isoterme; capacità termiche dei gas; capacità termiche dei solidi; teorema di equipartizione dell'energia; trasformazioni adiabatiche quasi statiche.(L:6,E:4)
IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Macchine termiche e secondo principio; enunciato di Clausius; enunciato di Kelvin; macchine frigorifere; pompe di calore; il ciclo di Carnot; irreversibilità, disordine ed entropia; entropia e probabilità.(L:3,E:2)
PROCESSI TERMICI: Dilatazione termica; trasmissione del calore; conduzione termica, resistenza termica; convezione; irraggiamento; legge di Stefan-Boltzmann.(L:3,E:2)
MEASUREMENT AND VECTORS: Early developments in Physics; measurement units; conversion of units; system of units; estimation and approximation; coordinate systems: Cartesian, spherical, cylindrical; scalars and vectors; proprieties of vectors; elementary vector's algebra.(L:3,E:2)
MOTION IN ONE DIMENSION: position, displacement, distance, velocity and speed, acceleration; constant acceleration motion; general motion; trajectory and time equations; integration of the equations of motion; separable differential equations; differential techniques.(L:6,E:4)
MOTION IN TWO AND THREE DIMENSIONS: position, displacement, distance, velocity and acceleration vectors; projectile motion and projectile range; circular motion and centripetal acceleration; angular velocity.(L:3,E:2)
NEWTON'S LAWS OF DYNAMICS: Newton's first law; inertial reference systems; relative velocity and acceleration; mass; force; Newton's second law; Galilean relativity; gravity force and weight; contact forces; free-body diagram; Newton's third law; problems with two or more objects.(L:6,E:4)
RELEVANT FORCES IN ELEMENTARY MECHANICS: static and dynamic friction; aerodynamic and hydrodynamic drag; cable tension; springs and Hooke's law; center of mass; motion of the center of mass; non-inertial reference system and fictitious forces.(L:3,E:2)
WORK AND KINETIC ENERGY: work accomplished by a constant force; work for a variable force; work in a line or curved path; line integral; work-energy theorem; power; kinetic energy of a mechanical system; second Koenig's theorem.(L:3,E:2)
CONSERVATION OF ENERGY: work on different paths; potential energy; mechanical energy; conservation of mechanical energy; chemical, electric and thermal energy; conservation of energy.(L:3,E:2)
MECHANICAL SYSTEMS: continuous systems and discrete systems; linear, superficial and volume density; calculating the center of mass of solid bodies.(L:3,E:2)
LINEAR MOMENTUM: linear momentum; impulse of a force; impulse-momentum theorem; conservation of linear momentum; linear momentum of a mechanical system; elastic and inelastic collisions; collisions in one or two dimensions.(L:3,E:2)
ROTATORY MOTION: angular velocity and acceleration of a mechanical system; rotational kinetic energy; calculating the moment of inertia; Newton's second law for rotation; rotation and rolling.(L:3,E:2)
ANGULAR MOMENTUM: vector treatment of rotatory motion; torque; angular momentum of a dynamic system; angular momentum of a solid body; torque as rate of change of angular momentum; angular impulse; angular impulse’s theorem; conservation of angular momentum; first Koenig’s theorem; collisions among rotating objects.(L:6,E:4)
GRAVITY: Kepler's laws; gravitational orbits; Newton's law of gravity; gravitational potential energy; escape velocity.(L:3,E:2)
STATIC EQUILIBRIUM: conditions for equilibrium; the six equations of static; the center of gravity; static equilibrium, stable, unstable and indifferent; undetermined problems.(L:3,E:2)
FLUID MECHANICS: density; pressure; Torricelli's law; Archimede's principle; stable floating; Bernoulli's law; ideal fluids; real fluids; fluid dynamics.(L:3,E:2)
OSCILLATIONS: equilibrium and small oscillations; simple harmonic motion; differential equation of the harmonic motion and its solutions; frequency, period, amplitude; pulse width and phase of oscillations; damped oscillations; resonance.(L:3,E:2)
WAVES: harmonic waves on a string; waves equations; d'Alembert solution; velocity of propagation; regressive and progressive waves; two dimensions waves; superposition of waves; standing waves; Doppler effect.(L:3,E:2)
TEMPERATURE AND KINETIC THEORY: thermal equilibrium and temperature; gas thermometers and absolute temperature; perfect gas state equation; kinetic theory of gases.(L:3,E:2)
HEAT AND THE FIRST LAW OF THERMODYNAMICS: heat capacities; change of state; first law of thermodynamics; internal energy of a perfect gas; work an PV diagram for gases; isothermal, isobaric, isochoric transformations; heat capacity of gases; heat capacity of solids; equipartition theorem; quasi-static adiabatic transformations.(L:6,E:4)
THE SECOND LAW OF THERMODYNAMICS: heath engines and the second law of thermodynamics; Clausius' and Kelvin's theorems; heat engines, efficiency; refrigerators, COP; heat pumps; Carnot cycles; entropy and lost work; entropy and microstates density.(L:3,E:2)
THERMAL PROPRIETIES AND PROCESSES: thermal expansion; heat transmission; conduction; radiation; convection; Stefan-Boltzmann's law.(L:3,E:2)
P.A.Tipler, G.Mosca: Corso di Fisica, vol. 1 (Meccanica Onde Termodinamica) - Zanichelli
Esercizi d'esame, con risultati, pubblicati sulla pagina web del corso
S.Rosati, R.Casali – Problemi di Fisica Generale 1 - CEA
P.A.Tipler, G.Mosca: Corso di Fisica, vol. 1 (Meccanica Onde Termodinamica) - Zanichelli
Exam problems, with results, published on the course's web page
S.Rosati, R.Casali – Problemi di Fisica Generale 1 - CEA
L'esame consiste in una prova scritta di tre ore circa ed una prova orale di un'ora circa sugli argomenti svolti durante il corso. L'insufficienza alla prova scritta (voto minore di 15/30) preclude l'ammissione alla prova orale.
The exam consists of a written test of approximately three hours and an oral test of approximately one hour on the topics covered during the course. Failure to take the written test (grade less than 15/30) precludes admission to the oral test.
