Scheda programma d'esame
FISICA II
ALESSANDRO STRUMIA
Anno accademico2022/23
CdSMATEMATICA
Codice242BB
CFU9
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
FISICA IIFIS/02LEZIONI81
ALESSANDRO STRUMIA unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso si prefigge di fornire allo studente le basi dell'elettrodinamica classica con l'introduzione delle equazioni di Maxwell, nel vuoto e in presenza di materia, e della forza di Lorentz. La materia ha interesse dal punto di vista della matematica, della fisica e delle applicazioni tecnologiche.

Si scoprirà che le forze elettromagnetica tengono assieme la materia, che le equazioni di Maxwell contengono soluzioni dette onde elettromagnetiche (che spiegano la luce), e nascondono simmetrie dette relativistica e di gauge. Verranno discusse le proprietà delle onde elettromagnetiche, nel vuoto e nella materia, il loro irraggiamento, e fenomeni di interferenza e diffrazione (che determinano la risoluzione dell'occhio e di telescopi).

Lo studente dovrà essere in grado di svolgere esercizi, ottenendo risultati anche numerici, ed introducendo approssimazioni appropriate. 

Knowledge

The course aims to provide the student with the basics of classical electrodynamics with the introduction of Maxwell's equations, in vacuum and in the presence of matter, and the Lorentz force. The subject is of interest from the point of view of mathematics, physics and technological applications.

It will be discovered that electromagnetic forces hold matter together, that Maxwell's equations contain solutions called electromagnetic waves (which explain light), and relativistic and gauge symmetry. The properties of electromagnetic waves, in vacuum and in matter, their irradiation, and interference and diffraction phenomena (which determine the resolution of the eye and telescopes) will be discussed.

The student must be able to carry out exercises, also obtaining numerical results, and introducing appropriate approximations.

Modalità di verifica delle conoscenze

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Assessment criteria of knowledge

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Capacità

Capacità di descrivere fenomeni di elettromagnetismo classico e darne una formulazione quantitativa

Skills

Ability to describe classical electromagnetism phenomena and give a quantitative formulation

Modalità di verifica delle capacità

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Assessment criteria of skills

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Comportamenti

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Behaviors

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Modalità di verifica dei comportamenti

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Assessment criteria of behaviors

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Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Principalmente Fisica 1 (meccanica classica) ed Analisi 2 (funzioni di più variabili e loro derivate). I teoremi di Gauss e di Stokes saranno richiamati nel corso.

Prerequisites

Mostly Physics 1 (classical mechanics) and Analysis 2 (functions of several variables and their derivatives). The Gauss and Stokes theorems will be recalled in the course. And we will speak Italian.

 

Prerequisiti per studi successivi

Verrà accennata la relatività (in quanto conseguenza diretta delle equazioni di Maxwell), poi approfondita nel successivo corso di Fisica 3. Tale corso anche discuterà l'equazioni d'onda di Schrödinger, per cui sarà utile aver studiato prima a Fisica 2 le equazioni d'onda di Maxwell. 

Prerequisites for further study

Relativity will be mentioned (as a direct consequence of Maxwell's equations), then discussed in a deeper wat in subsequent course of Physics 3. This course will also discuss the Schrödinger wave equations, so it will be useful to have studied the Maxwell wave equations.

Indicazioni metodologiche

Lezioni frontali, la cui frequenza è consigliata. Si utilizzerà l'approccio tipico in fisica, meno rigoroso di quello tipico in matematica.

 

Teaching methods

Frontal lesson. Attending is recommended. We will follow the typical approach in physics, less rigorous than the typical approach in mathematics.

Programma (contenuti dell'insegnamento)
  • Elettrostatica: legge di Coulomb. Campo elettrico, legge di Gauss, teorema di Stokes, potenziale elettrostatico, prima e seconda equazione di Maxwell nel caso statico. Equazioni di Poisson e Laplace.  Campo elettrico di varie distribuzioni di carica tipiche. Sviluppo in monopolo/dipolo/etc. Energia del campo elettrico e di una distribuzione di carica. I conduttori. Metodi di soluzione dei problemi di elettrostatica dei conduttori. Campo elettrico nella materia, dielettrici, polarizzazione (accenno). Correnti stazionarie: legge di Ohm, effetto Joule, resistenze, correnti, capacità, condensatori.

    Magnetismo: legge di Biot-Savart, legge di Ampere, forza di Lorentz. Campo magnetico di varie configurazioni tipiche di circuiti. Dipolo magnetico, sviluppo in multipoli. Energia del campo magnetico e di un sistema di circuiti, induttanza e mutua induttanza. Campo magnetico nella materia (accenno). Circuiti tipici RL, RC, RLC. Legge di Faraday. Forza elettromotrice indotta, generatori di corrente. Corrente di spostamento. Terza e quarta equazione di Maxwell.

    Elettrodinamica: onde elettromagnetiche nel vuoto, polarizzazione, onde nella materia (cenni), riflessione e rifrazione, interferenza, diffrazione (cenni), potenziale scalare e vettore, simmetria relativistica (cenni) e di gauge, irraggiamento.

Syllabus

Electrostatics: Coulomb's law. Electric field, Gauss's law, Stokes theorem, electrostatic potential, first and second Maxwell equations in the static case. Poisson and Laplace equations. Electric field of various typical charge distributions. Dipoles, expansion in multipoles. Energy of the electric field and of a charge distribution. Conductors. Solving electrostatic problems with conductors. Electric field in matter, dielectrics, polarization (hint). Stationary currents: Ohm's law, Joule effect, resistances, currents, capacitance, capacitors.

Magnetism: Biot-Savart law, Ampere's law, Lorentz force. Magnetic field of various typical circuit configurations. Magnetic dipole, multipole development. Magnetic field energy and a system of circuits, inductance and mutual inductance. Magnetic field in matter (hint). Typical circuits RL, RC, RLC. Faraday's law. Induced electromotive force, current generators. Displacement current. Third and fourth Maxwell equations.

Electrodynamics: electromagnetic waves, polarization, reflection and refraction, scalar potential and vector, relativistic and gauge symmetry (hint), radiation.

Bibliografia e materiale didattico

Utilizzeremo:

• Le slides sul sito elearning del corso. 

• La raccolta di esercizi sul sito elearning del corso.

Le slides sintetiche verranno utilizzate come base della discussione più espansa a lezione. È anche disponibile sul sito del corso una bozza di testo che descrive il contenuto delle slides.

È comunque utile avere anche un testo, scegliendo uno qualunque fra quelli avanzati (useremo unità di misura MKS, quindi è meglio scegliere un testo che utilizza le stesse unità). Una lista di testi possibili (si veda sulle slides del corso per maggiori dettagli) è:

Griffiths, Introduction to Electrodynamics 

• Mencuccini, Silvestrini, Fisica II (Elettromagnetismo-Ottica) 

• Lovitch, Rosati, Fisica Generale 2 

• Halliday, Resnick, Krane, Fisica 2

• Mazzoldi, Nigro, Voci, Elettrostatica e ottica geometrica

• Fitzpatrick, gratis online

• Tong, gratis online 

 

Bibliography

See the panel in Italian, as the slides and exercises are written in Italian. Some of the books suggested above exist in English too.

Indicazioni per non frequentanti

A meno di modifiche nelle interpretazioni delle ultime regole, pare che lo streaming non sia permesso questo anno.  Si prevede di registrare le lezioni (eccetto gli esercizi svolti da studenti che preferiscono non essere registrati), mettendole on line sulla pagina Teams del corso. 

Modalità d'esame

Si prevede di avere 5 scritti di 3 ore durante i quali sarà richiesta la soluzione di esercizi, e di rispondere ad un quiz on-line che ha valore di orale (serve quindi che ogni studente abbia strumenti informatici). Il quiz conterrà 36 domande a risposta multipla (di tipo nozionistico o semplici calcoli), ed ogni risposta giusta vale 1 punto. Similmente i punteggi attribuiti ai singoli esercizi si sommano (di solito) a 36. Il voto proposto sarà la media dei due, e medie maggiori di 30 vengono registrate come 30 e lode.

Inoltre, si prevede di avere 2 prove in itinere (“compitini”) di 2 ore, che contengono esercizi (solitamente semplificati rispetto ai compiti) e quiz on-line: il primo sulla parte di elettrostatica si tiene di solito verso inizio di novembre, ed il secondo sulla parte rimanente del corso si tiene alla fine del corso; il voto proposto a chi fa i compitini sarà la media dei due. Nei compiti e compitini è permesso l'utilizzo di libri ed eserciziari.

Qualora per motivi epidemiologici o altro non fosse possibile la modalità in presenza, useremo i test online come condizione di accesso agli orali.

 

Assessment methods

Barrying epidemiological changes, we will have written examinations with 3 hours duration during which students will solve exercise, and will answer an on-line quiz which has the value of oral. The proposed grade will be the average of the two.  The quiz will contain 36 multiple choice questions, and each correct answer is worth 1 point. Similarly, the scores attributed to the single exercises add up (usually) to 36. The proposed grade will be the average of the two, and averages greater than 30 are recorded as 30 cum laude.

In addition, it is planned to have 2 tests in itinere of 2 hours, which contain exercises (usually simpler) and quizzes: the first on the electrostatic part is usually held around the beginning of November, and the second on the remaining part of the course is held at the end of the course; the vote proposed will be the average of the two. Books are allowed during tests.

Altri riferimenti web

La pagina web 2010/22 era https://elearning.dm.unipi.it/enrol/index.php?id=325.  La pagina per l'anno 2022/23 verrà aperta in seguito sullo stesso sito dal CdL.

Ultimo aggiornamento 08/08/2022 09:51