ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PHYSICS
ALBERTO MARIA MESSINEO
Academic year2017/18
CourseBIOLOGICAL SCIENCES
Code021BB
Credits6
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FISICAFIS/07LEZIONI64
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 meccanica, dell'elettricità e del magnetismo 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 mechanics, electricity and magnetism with particular emphasis into 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 mechanics, electricity and magnetism, 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 answer.
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 theoretical framework  to practice;
  • understanding and building a mathematical model of reality;
  • 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:
  • adattamento a nuove problematiche focalizzandosi su un ristetto numero di argomenti trattati;
  • elaborazione matematica e numerica di nuove problematiche;
  • 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:
  • adaptation to new issues focusing on a limited number of topics covered;
  • mathematical and numerical processing of new problems;
  • organization of an analytical ability to successful 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, 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.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze matematiche di base relative alla geometria euclidea, alla geometria analitica ed alla trigonometria. Conoscenza del concetto generale di funzione matematica, derivata ed integrale.
Prerequisites

Basic mathematical knowledge about Euclidean geometry, analytical geometry and trigonometry. Knowledge of the general concept of mathematical function, derivative and integral. 
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 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 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 houers, 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. Forze. 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. 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. 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.
  10. 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.
  11. Introduzione all'elettrostatica. Carica elettrica: tipi di carica, carica elementare, conservazione della carica. Polarizzazione. Conduttori e isolanti. Elettrizzazione per strofinio. Collegamento a terra. Elettrizzazione per induzione. Legge di Coulomb. Costante di Coulomb e costante dielettrica del vuoto. Forza esercitata su una carica puntiforme da N caroche puntiformi.
  12. Definizione di campo elettrico. Campo elettrico di una carica puntiforme. Principio di sovrapposizione e campo elettrico di una distribuzione discreta di cariche. Linee di forza del campo elettrico: di una carica puntiforme, di un dipolo, di un guscio sferico sottile. Moto di una carica puntiforme in un campo elettrico uniforme. Sistema di coordinate sferiche e cilindriche. Angolo solido. Flusso di un campo vettoriale attraverso una superficie. Flusso del campo elettrico di una carica puntiforme attraverso una superficie chiusa sia nel caso con la carica all'interno della superficie che all'esterno. Teorema di Gauss. Campo elettrico generato da una distribuzione rettilinea infinita e omogenea di carica: 1) calcolo diretto, 2) usando il teorema di Gauss e le proprietà di simmetria. Generalizzazione al caso di una distribuzione di carica infinita a simmetria cilindrica. Calcolo del campo elettrico generato da: piano carico infinito e omogeneo; guscio sferico uniformemente carico e vuoto; sfera carica piena uniformemente carica.
  13. Conduttori: campo elettrico all'interno e sulla superficie; distribuzione della carica. Energia potenziale elettrica: per una coppia di cariche puntiformi; per una distribuzione di N cariche puntiformi. Potenziale elettrico. Differenza di potenziale. Potenziale dovuto a: una carica puntiforme; N cariche puntiformi. Circuitazione del campo elettrico. Relazione tra campo elettrico e potenziale. Gradiente del potenziale. Superfici equipotenziali. Discontinuità della componente normale e continuità della componente tangenziale del campo elettrico ad una distribuzione superficiale di carica. Potenziale generato da una sfera conduttrice carica. Conservazione dell'energia per cariche in movimento. Condensatori. Definizione di capacità. Calcolo della capacità di un condensatore: piano, sferico, cilindrico. Energia immagazzinata in un condensatore. Densità di energia del campo elettrico.
  14. Corrente elettrica: definizione e unità di misura. Forza elettromotrice. Lavoro compiuto da una batteria ideale. Circuiti. Rappresentazione microscopica della corrente: velocità di deriva e relazione tra corrente e velocità di deriva. Legge di Ohm. Resistenza: definizione e sua unità di misura. Resistività. Dipendenza della resistività dalla temperatura. Regole di Kirchhoff: 1) legge dei nodi, 2) legge delle maglie. Resistenze in serie e in parallelo. Condensatori in serie e in parallelo. Analisi dei circuiti usando le leggi di Kirchhoff. Sorgenti di fem in serie e in parallelo. Potenza ed energia nei circuiti. Potenza dissipata da una resistenza. Potenza erogata da una fem con resistenza interna. Circuito RC, carica: equazione differenziale non omogenea e sua soluzione. Grafico dell'andamento temporale della corrente che scorre nel circuito RC e della differenza di potenziale tra le armature. Circuito RC, scarica: equazione differenziale omogenea e sua soluzione. Grafico dell'andamento temporale della corrente che scorre nel circuito RC e della differenza di potenziale tra le armature. Circuito RC nei neuroni. Effetti della corrente elettrica sul corpo umano. Messa a terra delle apparacchiature. Fusibili.
  15. Definizione di campo magnetico. Linee di campo magnetico. Campo magnetico terrestre. Forza magnetica su una carica puntiforme. Moto di una particella carica in un campo magnetico uniforme: 1) caso con velocità perpendicolare al campo magnetico (calcolo del raggio della traiettoria e del periodo); caso generale. Spettrometro di massa. Ciclotrone. Carica in moto soggetta sia al campo magnetico che al campo elettrico. Selettore di velocità.

 
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. States of aggregation of 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. Archimedes Principle. Specific relative weight. Floating. Acceleration of a body immersed in a fluid without viscosity. Moving fluids. Motion of an ideal fluid, unmistakable under steady state. Definition of: flow line, laminar flow, mass flow, volume flow. Bernoulli's continuity and continuity. Torricelli's theorem. Venturi. Arterial fibrillation. Aneurysm. Viscosity. Poiseuille Law. Viscous resistance. Stokes Law. Limit speed in viscous fluids.
  13. Forces dependent on the inverse of the distance square: gravitational force, electrostatic force. The law of universal gravitation. Planetary and satellite motion.
  14. Energy and gravity field. Electrical interaction, electric charge, Coulomb force and electric field. Dipole: static and induced. Charge distributions: 1D-2D-3D.
  15. Gauss Theorem, with particular emphasis on the superimposition principle and the concept of source-field symmetry.
  16. Electrostatic potential energy. Electrical potential. Atomic model and two body gravity problem.
  17. Magnetic field. Magnetic field sources. Lorentz's strength. Hall Effect and Mass Spectrometer, E / B fields selector.
Bibliografia e materiale didattico

  1. Giambattista, B. McCarthy Richardson, R. C. Richardson: “Fisica Generale”, ed. McGraw-Hill

  2. Davidson, Metodi Matematici per un corso introduttivo di fisica Ed. Edises

  3. Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: “Fondamenti di Fisica – volume unico”, ed. Zanichelli

  4. Serway, R.A., Jewett Jr, J.W.: “Principi di Fisica”, ed. EdiSES
Bibliography

Recommended reading includes the following works: A. Giambattista, B. McCarthy Richardson, R. C. Richardson: Principi di Fisica, McGraw-Hill (material taken from this book is recommended for self-study during lectrures) also useful D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fondamenti di Fisica, CEA Jewett Serway Principi di Fisica Edises
Modalità d'esame

Scritto e orale.

All’orale si accede se lo scritto è superato con una votazione superiore o pari a 15/30.

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, il primo riguardante la meccanica, ed il secondo la parte del programma relativa alla elettricita e magnetismo. Ogni 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

Written and spoken oral exams.  

The oral exam can be accessed if the script is passed with a score higher or equal to 18/30.

The written exam is exempted for student who pass the periodical tests with a average score higher or equal to 18/30. The on-the-go periodic tests/quizzes will be two with the possibility of improve the score one of the two tests at the end of the course. Each test consists of a solution of 10 questions, with provided multiple answers.

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

Written Exam: Solution with extensive discussion of physical problems similar to those approached during the course. Each written test consists of 2 problems, the first concerning the mechanics, and the second based on electricity and magnetism. Each problem needs the solution 5 questions, equally valued in the construction of the final score.

The validity of the written exam is extended within each session. Written tests are valid until the oral exam is done. A new written test must be passed for admission to a new oral in case of failed oral test.

The oral test consists of a discussion with the commission, two teachers, and deals with questions related to the topics approached in the course and their simple applications, such as the guided solution of problems similar to those of the written tests.
Pagina web del corso

https://polo3.elearning.unipi.it/course/view.php?id=2863
Class web page

https://polo3.elearning.unipi.it/course/view.php?id=2863
Updated: 07/05/2018 17:59