FISICA II E LABORATORIO A - L

Il taglio di questo corso è in parte di tipo osservativo e teorico, in parte di tipo sperimentale e applicativo.

Obiettivi formativi specifici di questo corso sono:

• Sviluppare la capacità di osservazione dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici, connettendo curiosità a domanda di conoscenza.
• Comprendere le relazioni fondamentali tra le grandezze espresse nelle leggi fisiche dell’elettromagnetismo e dell’ottica.
• Comprendere la sintesi del modello classico dell’elettromagnetismo espressa nelle equazioni di Maxwell in forma sia integrale che locale, nel vuoto e nei materiali omogenei e isotropi.
• Sviluppare la capacità di applicare tale conoscenza risolvendo problemi.
• Essere capaci di realizzare semplici esperienze di meccanica, elettromagnetismo ed ottica allo scopo di effettuare misure di grandezze fisiche o di verifiche sperimentali di leggi fisiche note.
• Acquisire capacità di analizzare correttamente dati sperimentali e di produrre una relazione scientifica che descriva l'esperimento eseguito, riporti i risultati prodotti mediante analisi dei dati acquisiti e li sappia interpretare.
• Acquisire la capacità di comunicare la descrizione di un fenomeno, di un modello, di un esperimento e/o di una misura scientifica in maniera corretta, esaustiva, chiara ed efficace.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

· Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.

· Capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali.

· Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.

· Capacità di elaborare modelli teorici.

Capacità di applicare conoscenza:

· Capacità di risolvere semplici problemi di elettromagnetismo e ottica

· Capacità di montare e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure meccaniche, elettromagnetiche e ottiche.

· Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.

Autonomia di giudizio:

· Capacità di ragionamento critico.

· Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.

· Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.

· Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.

Abilità comunicative:

· Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

Lezioni frontali di Fisica 2 (7 CFU = 49 ore).

Svolgimento di attività di laboratorio (3 CFU = 36 ore), ripartite tra attività frontali, realizzazione di esperimenti in piccoli gruppi, stesura e discussione di relazioni individuali.

Le nozioni di base indispensabili per poter seguire il corso con profitto sono: sistemi di riferimento in coordinate cartesiane, polari e cilindriche; trigonometria; calcolo vettoriale; calcolo integrale e differenziale di funzioni di più variabili reali.
Sono inoltre fondamentali molti argomenti del corso di Fisica I.
È utile la conoscenza degli operatori differenziali vettoriali, tuttavia essi vengono presentati e utilizzati all'interno del corso nella trattazione dei campi vettoriali.

La frequenza del corso è obbligatoria.

ELETTROSTATICA

1.1 – Forza elettrostatica. Campo elettrostatico.

La composizione della materia e la presenza di interazioni elettriche tra i suoi costituenti carichi. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Materiali isolanti e conduttori. Processi di elettrizzazione. Forza tra cariche elettriche. La legge di Coulomb. Il campo elettrostatico. Calcolo di campi elettrostatici per distribuzioni discrete e continue. Le linee di forza. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Esperienza di Millikan.

1.2 – Lavoro elettrico. Potenziale elettrostatico.

Il lavoro della forza elettrica. La tensione elettrica tra due punti. La forza elettromotrice del campo elettrico. Il potenziale elettrostatico. L’energia potenziale elettrostatica. Calcolo del potenziale e dell’energia potenziale elettrostatica per una carica puntiforme e per distribuzioni discrete e continue di carica. Energia potenziale di un sistema di cariche. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Conservazione dell’energia. Moto in un campo centrale. Modello classico dell’atomo di idrogeno. Separatore elettrostatico e tubo a raggi catodici. Il campo elettrostatico come gradiente del potenziale. Calcolo di campi elettrostatici dal potenziale per distribuzioni continue di carica. Il rotore del campo elettrico. Superfici equipotenziali. Campo elettrico e potenziale generato da un dipolo. Moto di un dipolo in un campo elettrico uniforme. Energia potenziale di un dipolo posto in un campo. Molecole polari.

1.3 –La legge di Gauss.

Flusso del vettore campo elettrostatico. Dimostrazione del teorema di Gauss. Applicazioni del teorema di Gauss: guscio sferico, sfera, filo e piano uniformemente carichi. Legge di Gauss in forma locale: equazioni di Poisson e di Laplace.

1.4 – Conduttori. Dielettrici. Energia elettrostatica.

Conduttori in equilibrio. Induzione elettrostatica. Conduttore cavo. Schermo elettrostatico. Condensatori nel vuoto. Collegamento di condensatori. Energia elettrostatica.

Cenni su proprietà dielettriche dei materiali. Costante dielettrica relativa, assoluta, suscettività elettrica.

CORRENTI STAZIONARIE E CAMPI MAGNETOSTATICI

2.1 – Corrente elettrica.

Conduzione elettrica. Corrente media, corrente istantanea, densità di corrente. Legge di Ohm per i conduttori ohmici. Conducibilità e resistività. Modello classico della conduzione. Resistenza elettrica. Dipendenza dalla temperatura. Superconduttori. Energia elettrica e potenza assorbita. Generatori di f.e.m. Resistenze in serie e in parallelo. Leggi di Kirchhoff. Carica e scarica di un circuito RC.

2.2 – Campo magnetico.

Proprietà dei magneti. Campo magnetico. Forza di Lorentz.

Forza magnetica su un filo percorso da corrente: seconda legge elementare di Laplace. Coppia agente su di una spira percorsa da corrente immersa in un campo magnetico uniforme. Momento magnetico di una spira percorsa da corrente stazionaria. Effetto Hall. Moto di una particella in un campo magnetico uniforme. Il selettore di velocità. Lo spettrometro di massa. Il ciclotrone.

2.3 – Sorgenti del campo magnetico. Legge di Ampère.

Campo magnetico prodotto da un elemento di corrente – prima legge elementare di Laplace.

Permeabilità magnetica del vuoto. Legge di Ampère-Laplace per il campo magnetico generato da un circuito chiuso percorso da corrente. Campo magnetico prodotto da un filo rettilineo (legge di Biot-Savart), da una spira circolare, da un solenoide ideale. Forze agenti su fili paralleli percorsi da corrente. Legge di Ampère. Legge di Gauss per il campo magnetico.

Corrente di spostamento. Legge di Ampère-Maxwell. Cenni su proprietà magnetiche della materia. Permeabilità e suscettività magnetica.

CORRENTI E CAMPI VARIABILI

3.1 – Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo.

Legge di Faraday. Legge di Lenz. Generatori di corrente. Autoinduzione. Circuiti RL. Energia magnetica. Densità di energia magnetica. Equazioni di Maxwell.

3.2 – Oscillazioni elettriche. Correnti alternate.

Oscillazioni elettriche ideali e smorzate. Correnti alternate. Comportamento di resistori, condensatori e induttori in AC.

ONDE ELETTROMAGNETICHE

4.1 – Onde elettromagnetiche.

Onde elettromagnetiche piane. Onde elettromagnetiche piane armoniche. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Vettore di Poynting. Intensità di un’onda e.m. Pressione di radiazione. Spettro elettromagnetico. Onde sferiche.

OTTICA

5.1 – Riflessione e rifrazione della luce.

Velocità della luce in un mezzo. Indice di rifrazione. Formula di Cauchy. Principio di Huygens-Fresnel. Riflessione e rifrazione. Angolo limite. Riflessione totale. Dispersione cromatica. Prisma. Coefficienti di Fresnel. Angolo di Brewster. Polarizzazione per riflessione. Polarizzazione per assorbimento selettivo e diffusione. Legge di Malus. Birifrangenza. Attività ottica.

5.2 – Ottica geometrica.

Costruzione di immagini in ottica geometrica. Specchi sferici e piani. Distanza focale. Ingrandimento. Diottri sferici e piani. Potere diottrico. Distanze focali anteriori e posteriori. Ingrandimento. Lenti sottili. Potere convergente. Distanza focale. Equazione dei costruttori di lenti. Ingrandimento. Microscopio ottico. Ingrandimento visuale.

5.3 – Interferenza.

Interferenza da due fenditure. Posizione di minimi e massimi di interferenza. Distribuzione di intensità fra le frange. Metodo dei fasori per il calcolo delle intensità.

5.4 – Diffrazione.

Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura rettilinea singola. Posizione dei minimi di diffrazione. Angolo minimo di risoluzione. Criterio di Rayleigh. Potere risolutivo di una lente. Potere risolutivo lineare di un microscopio. Reticoli di diffrazione. Diffrazione X.

CENNI DI TEORIA DEGLI ERRORI

Incertezza di una misura. Sorgenti di errore. Stima dell’incertezza nella lettura di scale. Errori casuali ed errori sistematici. Rappresentazione dei dati sperimentali. Cifre significative. Discrepanza tra due misure. Rappresentazione in grafico. Verifica di relazioni con un grafico. Errore relativo o precisione. Propagazione degli errori nelle misure indirette (limite massimo dell’incertezza). Propagazione degli errori nelle misure indirette (incertezze casuali e misure indipendenti).

Analisi statistica di un set di misure: media e deviazione standard. Errore sulla media. Istogrammi di frequenza. Distribuzione di probabilità di Gauss. Best-fit lineare e sua incertezza. Test del chi-quadro.

ESPERIENZE DI LABORATORIO

Misura della costante elastica di una molla.

Misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice.

Misura del coefficiente di viscosità della glicerina.

Misura di resistenze con il metodo voltamperometrico.

Misura di resistenze di valore elevato, mediante la scarica del condensatore.

Misura del rapporto e/m mediante deflessione magnetica.

Misura della distanza focale di una lente convergente.

Verifica della legge di Malus e misura di concentrazioni di soluti otticamente attivi.

Misura di lunghezze d’onda con uno spettroscopio a reticolo di diffrazione.

1. P.Mazzoldi, N.Nigro, C.Voci: ELEMENTI DI FISICA, Vol.II - Elettromagnetismo e Onde, EdiSES Napoli

2. D. Halliday, R.Resnick: FISICA 2, Ed. Ambrosiana

3. R.A.Serway – Fisica Vol.II - ed.EdiSES

4. P.A.Tipler, G.Mosca - Physics for scientists and engineering, W.H.Freeman and Company

5. J. Taylor: Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche, Zanichelli

La verifica dell'apprendimento avverrà mediante una prova scritta, una tesina relativa ad una esperienza di laboratorio sorteggiata tra quelle eseguite durante il corso ed un colloquio orale. Non sono previste prove in itinere per questo insegnamento.

La prova scritta ha la durata di due ore e richiede la risoluzione di tre problemi riguardanti rispettivamente argomenti di elettrostatica, campi e.m. variabili nel tempo e ottica. Ad ogni problema sono attribuiti 10 punti e il punteggio minimo per l'accesso alla prova orale è di 18/30. Con un punteggio compreso tra 15 e 17/30 si può richiedere l'ammissione con riserva alla prova orale. La prova orale deve essere sostenuta entro la data in cui è prevista la successiva prova scritta. Criteri di valutazione della prova scritta sono: la correttezza dell'impostazione dei problemi, l'esplicitazione dei procedimenti di risoluzione individuati, la corretta determinazione dei risultati numerici associati alle unità di misura proprie delle grandezze fisiche in esame. effettuate

Alla fine del corso, viene sorteggiata per ciascuno studente una delle esperienze previste nel programma delle attività di laboratorio; entro una settimana lo studente provvede alla consegna della relazione, redatta sulla base dell'esperienza effettuata e dei dati personalmente acquisiti. Tenendo conto della puntualità della consegna, la tesina verrà valutata dal docente sulla base della correttezza, completezza, concisione e proprietà di espressione scritta.

Il colloquio orale prevede la discussione della prova scritta e della relazione di laboratorio, insieme a domande generali di approfondimento delle conoscenze acquisite dallo studente.

Tutti gli argomenti trattati durante il corso saranno oggetto d'esame.