Insegnamenti

 

70/0005-M - FISICA 2

Anno Accademico ​2019/2020

Docente
ALESSIO ​FILIPPETTI (Tit.)
Periodo
Secondo Semestre​
Modalità d'Erogazione
Convenzionale​
Lingua Insegnamento
ITALIANO​



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[70/75] ​ ​INGEGNERIA BIOMEDICA [75/00 - Ord. 2017] ​ ​PERCORSO COMUNE770
Obiettivi

L'obiettivo del corso di Fisica 2 è fornire agli studenti una conoscenza introduttiva ma rigorosa dei fondamenti dell'elettromagnetismo classico, una delle aree della fisica più importanti per le implicazioni inerenti all'interpretazione dei fenomeni naturali, nonché alla base delle innumerevoli applicazioni tecnologiche del mondo moderno.
Lo studente è chiamato a familiarizzare col linguaggio delle leggi della fisica, a capirne il significato in profondità e a porlo in relazione con i fenomeni osservati. L'insieme di conoscenze scientifiche acquisito nel corso dovrà rappresentare un patrimonio culturale, umano e scientifico, in grado di accompagnare lo studente nel prosieguo dei suoi studi più specialistici, di cui l'elettromagnetismo è fondamento, nonché nella pratica professionale.

Conoscenza e capacità di comprensione.

Alla fine del corso ci attendiamo che lo studente abbia sviluppato:
- la conoscenza delle grandezze fisiche fondamentali dell'elettromagnetismo, delle loro unità di misura, e delle leggi che ne governano il comportamento, nonché la capacità di comprendere ed interpretare correttamente il significato di queste leggi
- la capacità di porre in relazione le leggi dell'elettromagnetismo con l'interpretazione dei fenomeni fisici del mondo circostante, e con alcune applicazioni tecnologiche connesse all'elettromagnetismo, con particolare riferimento a quelle rilevanti per l’ingegneria biomedica
- una conoscenza introduttiva di oggetti/strumenti alla base della moderna elettronica, quali resistori, condensatori, induttori, bobine, motori elettrici, trasformatori

Capacità di applicare conoscenza e comprensione.

Alla fine del corso ci attendiamo che lo studente sia in grado di:
- riconoscere le grandezze fondamentali e le relative leggi dell'elettromagnetismo classico, e di argomentare correttamente il loro significato e la loro importanza nell'ambito dei fenomeni naturali e delle applicazioni tecnologiche in cui esse intervengono.
- risolvere esercizi concettuali e numerici semplici, relativi ai fenomeni elettromagnetici basilari, come la generazione di campi elettrici e magnetici, la loro interazioni con cariche e correnti elettriche, l'induzione magnetica, la corrente elettrica nei circuiti contenenti resistori, induttori e condensatori, le onde elettromagnetiche e le leggi dell' ottica geometrica.
- riconoscere ed utilizzare le grandezze ed i concetti fondamentali dell'elettromagnetismo classico eventualmente presenti nel contesto di corsi successivi più specialistici, o qualora necessario in ambito professionale

Autonomia di giudizio.

Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado di individuare autonomamente e valutare i dati necessari all'identificazione e soluzione di un problema tecnico/scientifico connesso con l'elettromagnetismo, e di introdurre le semplificazioni opportune per la sua descrizione e soluzione.

Abilità comunicative.

Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito un'adeguata proprietà di linguaggio in relazione a problematiche di elettromagnetismo, in modo da essere compreso senza fraintendimenti da un interlocutore con conoscenze tecniche adeguate, e da veicolare i concetti essenziali anche verso un interlocutore non tecnicamente competente.

Capacità di apprendimento.

Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito nel proprio bagaglio culturale le conoscenze e gli strumenti concettuali fisico/matematici necessari ad approfondire autonomamente la propria preparazione nell’ambito di corsi successivi di fisica applicata e di ingegneria.

Prerequisiti

Esistono propedeuticità indicate nel regolamento del corso di laurea: è richiesto di aver sostenuto l’esame di Fisica I.

Da un punto di vista sostanziale, al fine di poter assorbire in modo pieno e soddisfacente gli insegnamenti del corso, allo studente sono richieste le seguenti conoscenze di base:

- Fondamenti di Analisi Matematica 1: funzioni nel campo reale, calcolo integrale e differenziale in una o più dimensioni, fondamenti di algebra, equazioni differenziali di primo e secondo ordine
- Fondamenti di Geometria: volumi, aree, superfici, operazioni vettoriali in sistemi di coordinate cartesiane, relazioni fondamentali di trigonometria.
- Fondamenti di Fisica Generale I: Leggi della cinematica del moto puntuale, leggi della dinamica classica, concetti fondamentali di forza, lavoro, energia cinetica e potenziale.

Contenuti

Le 70 ore totali del corso sono approssimativamente divise in 50 ore di lezioni teoriche e 20 ore di esercizi svolti dal docente. L'elenco degli argomenti trattati, con l'indicazione delle ore dedicate è il seguente.

1 - Elettrostatica Generale (8 ore di teoria e 3 di esercitazione)
La carica elettrica. Conduttori e isolanti. Legge di Coulomb. Quantizzazione e conservazione della carica. Campo elettrico. Linee di campo. Campo di una carica e di una distribuzione. Moto di una carica in campo uniforme. Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss e relazione con la legge di Coulomb. Applicazione della legge di Gauss a diverse distribuzioni di carica.

2 - Potenziale elettrico (6 ore di teoria e 3 di esercitazione)
Lavoro, energia potenziale elettrica e potenziale elettrostatico. Superfici equipotenziali. Potenziale generato da una carica puntiforme, un dipolo, un insieme di cariche e una distribuzione. Relazione tra campo e potenziale. Campo e potenziale di un conduttore carico isolato.

3 - Condensatori (6 ore di teoria e 2 di esercitazione)
Condensatori e capacità elettrica. Condensatore piano, cilindrico, sferico e sfera isolata. Condensatori in serie e in parallelo. Energia e densità di energia del campo elettrostatico. Condensatore con dielettrico e costante dielettrica. Rigidità dielettrica. Energia del campo elettrostatico nei dielettrici. Dipoli elettrici nei dielettrici. Legge di Gauss nei dielettrici.

4 - Circuiti (6 ore di teoria e 3 di esercitazione)
Corrente elettrica e densità di corrente. Resistenza elettrica e resistività. Legge di Ohm e interpretazione microscopica. Semiconduttori e superconduttori. Potenza elettrica trasferita e potenza dissipata per effetto Joule. Lavoro, energia e forza elettromotrice. Leggi di Kirchhoff. Resistori in serie e in parallelo. Circuito RC in corrente continua e costante di tempo capacitiva.

5 - Campo magnetico nel vuoto (6 ore di teoria e 2 di esercitazione)
Forza magnetica e campo magnetico B (forza di Lorentz). Forza su un filo percorso da corrente. Momento meccanico su una spira. Momento di dipolo magnetico. Legge di Biot e Savart. Forza tra due fili paralleli e unità di misura della corrente nel Sistema Internazionale. Legge di Ampère e applicazioni. Campo di un filo infinito, di un solenoide infinito, di un toroide e di una bobina.

6 - Induzione Elettromagnetica (6 ore di teoria e 2 di esercitazione)
Induzione elettromagnetica e legge di Faraday. Legge di Lenz e significato fisico. Forza elettromotrice indotta in una spira in moto. Forze elettromotrici indotte e campi elettrici indotti. Principio del generatore di corrente alternata. Induttori e induttanza. Autoinduzione. Induttanza di un solenoide e di un toroide. Circuito RL in corrente continua e costante di tempo induttiva. Energia e densità di energia del campo magnetico.

7 - Correnti alternate e circuiti LC (6 ore di teoria e 2 di esercitazione)
La corrente alternata: utilità della corrente alternata per il trasporto di corrente elettrica a grandi distanze. Il circuito LC: funzionamento qualitativo, equazioni del circuito LC, energia del circuito LC. Il generatore di corrente alternata. Cenni sui circuiti RLC. Il trasformatore: caratteristiche generali, equazioni del trasformatore ideale.

8 - Onde Elettromagnetiche (6 ore di teoria e 3 di esercitazione)
Caratteristiche generali delle onde elettromagnetiche, lunghezza d'onda e frequenza. Equazioni dell'onda piana. Spettro delle onde elm, caratteristiche della luce visibile. Generazione delle onde elm di grande lunghezza d'onda: l'antenna. Trasporto di energia e vettore di Poynting. Polarizzazione della luce. Velocità della luce nella materia. Riflessione e rifrazione: leggi dell'ottica geometrica. Dispersione cromatica. Riflessione totale, angolo limite e applicazioni. Polarizzazione per riflessione e legge di Brewster.

Metodi Didattici

Il corso si basa su un approccio didattico tradizionale (lezioni frontali); ogni argomento viene introdotto da spunti di carattere fenomenologico, in modo che la specificità e l'importanza del tema trattato siano subito resi evidenti nei fenomeni naturali che ci circondano o nelle applicazioni tecnologiche di uso comune; al tal fine il docente si serve della proiezione di immagini e filmati.

Segue quindi la descrizione degli aspetti formali dell'argomento in questione, seguiti o intervallati da esempi ed esercizi numerici specifici. A tal fine il docente utilizza la lavagna per lo sviluppo rigoroso delle proprietà e delle dimostrazioni formali nel dettaglio. Simultaneamente, il materiale oggetto di spiegazione, nonché gli eventuali esercizi, sono anche proiettati mediante slides preventivamente preparate dal docente, e scaricabili dal sito docente di Unica, in modo da permettere agli studenti la massima fruibilità possibile di tutti gli argomenti e le relative spiegazioni.

Gli argomenti e le esercitazioni di classe sono coordinate con l'attività di tutoraggio, svolta in orari e luoghi separati dal corso, in cui il tutor affianca ed aiuta gli studenti nello svolgimento di esercizi e problemi proposti dal docente, o anche dagli stessi studenti, e specificamente indirizzati al superamento degli esami parziali e finali.

La ripartizione delle ore fra le varie attività è:

Lezioni frontali: 70 ore, di cui circa 50 di spiegazioni teorico/concettuali e 20 di esercizi e problemi svolti dal docente. Le ore di esercitazione includono una 'simulazione di esame' svolta prima dell'esame parziale di metà corso, utile allo studente per familiarizzare con il formato d'esame che dovranno poi svolgere all'esame reale.

Tutoraggio: circa 20 ore di esercizi e problemi svolti dagli studenti con l'assistenza del tutor.

Verifica dell'apprendimento

L'esame finale prevede una prova scritta (della durata di 3/4 ore) con 6/8 esercizi numerici da risolvere. Gli esercizi sono compositi e articolati: ogni esercizio si focalizza su uno specifico argomento del corso, e comprende una serie di quesiti concatenati gerarchicamente in ordine di difficoltà crescente, in modo che il docente possa valutare dettagliatamente il grado di comprensione e la capacità di sviluppo degli argomenti dello studente.

Al posto dell' esercizio numerico può esservi un esercizio concettuale, che lo studente deve svolgere per iscritto in modo puntuale e coinciso in uno spazio limitato, come ad esempio la descrizione di una legge o lo sviluppo di un argomento studiato a lezione.

Un esame parziale si svolge approssimativamente alla metà del corso, nel periodo indicato dall'organizzazione didattica. L'esame parziale segue sostanzialmente le stesse modalità dell'esame finale, e prevede una prova scritta con 3/4 esercizi numerici relativi agli argomenti della prima parte del corso (elettricità, campi, e circuiti elettrici). La partecipazione alla prova parziale da parte dello studente non è obbligatoria, ma il docente incoraggia e stimola per quanto possibile la massima partecipazione. A tal fine, prima dell'esame parziale viene svolta una 'simulazione d'esame' per permettere allo studente di familiarizzare con il formato d'esame reale.

Al primo appello disponibile dopo la fine del corso gli studenti che hanno partecipato alla prova parziale potranno optare per lo svolgimento dei soli esercizi della seconda parte del corso. Per questi il voto finale risulterà dalla media dei voti delle due prove. Ovviamente nulla osta agli studenti che hanno sostenuto il primo esame parziale ma non soddisfatti del voto, di svolgere l'esame per intero: resta inteso però che la consegna dell'intero compito rende automaticamente nullo il voto del primo parziale. La validità del primo parziale è improrogabilmente limitata al primo appello: dal secondo appello in poi il compito dovrà essere consegnato per intero.

La valutazione è oggettiva: ad ogni esercizio è attribuito un punteggio massimo, ad esempio per un compito di 6 esercizi ogni esercizio attribuisce da 0 a 5 punti; la graduazione del voto per esercizio è facilitata dai quesiti multipli di cui è composto l'esercizio. Nell'attribuzione del voto si tiene conto non soltanto della correttezza del risultato ma anche dell'appropriatezza e della chiarezza dello sviluppo formale utilizzato per ottenerlo. Il massimo punteggio (30 con lode) è attribuito in caso di svolgimento completo ed esaustivo di tutti gli esercizi e/o quesiti concettuali proposti.

Il numero di appelli è definito in accordo con il regolamento di Facoltà.

Testi

- Fondamenti di Fisica; Elettromagnetismo, Ottica. Settima edizione. Autori: David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Editore: Casa Editrice Ambrosiana - Distribuzione Zanichelli. Anno: 2015. http://www.zanichelli.it/ricerca/prodotti/fondamenti-di-fisica-volume-2-elettrologia-magnetismo-ottica

- Appunti delle lezioni del docente, scaricabili in formato pdf dal sito docente di Unica: http://people.unica.it/alessiofilippetti/; oltre alle alle lezioni sono disponibili sullo stesso sito gli esercizi svolti in classe dal docente, gli esercizi svolti dal tutor, ed un corposo archivio di esercizi assegnati in appelli precedenti, utili allo studente per familiarizzare con il formato di compito che dovranno effettivamente svolgere.

Altre Informazioni

Il docente riceve settimanalmente nel proprio studio il mercoledì in orario 15:00-17:00, o per appuntamento, tramite e-mail all’indirizzo alessio.filippetti@dsf.unica.it. Lo studio del docente è locato al Dipartimento di Fisica, 1o piano, Cittadella Universitaria di Monserrato.

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