19704 - FISICA GENERALE B

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente apprende e sa applicare in autonomia le conoscenze sulle nozioni basilari della fisica generale nel linguaggio dell'analisi matematica, del calcolo integrale e vettoriale; acquisisce la metodologia scientifico-tecnica necessaria per affrontare in termini quantitativi i problemi di fisica.

Contenuti

1. Elettrostatica. Le 4 forze fondamentali della natura: forza gravitazionale, interazione nucleare debole, forza elettromagnetica, interazione nucleare forte. Particelle costituenti della materia: quark e leptoni. Particelle mediatrici delle interazioni: bosoni. Triboelettricità, lampi e fulmini. Legge di Coulomb. Principio di sovrapposizione. Distribuzioni continue di carica elettrica. Il campo elettrico. Rappresentazione del campo elettrico mediante linee di flusso. Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico. Divergenza di un campo vettoriale. Teorema di Gauss (o teorema della divergenza). Forma locale della legge di Gauss per il campo elettico. Potenziale elettrostatico.
2. Conduttori. Dielettrici e conduttori. Distribuzione della carica, campo elettrico e potenziale all'interno dei conduttori. Induzione elettrostatica. Campo elettrico sulla superficie dei conduttori. Campo elettrico nella cavità di un conduttore, schermo elettrostatico, gabbia di Faraday. Induzione completa. Significato della messa a terra. Potenziale di una sfera conduttrice carica. Il potere delle punte. Capacità di un conduttore. Condensatore sferico e condensatore piano. Capacità di un condensatore. Condensatori collegati in serie e in parallelo.
3. Problema generale dell'elettrostatica. Energia elettrostatica di un sistema di cariche elettriche. Dipolo elettrico. Energia accumulata in un condensatore carico. Densità di energia associata al campo elettrico. Localizzazione dell'energia elettrostatica. Località del principio di conservazione dell'energia. Equazioni di Poisson e di Laplace. Il problema generale dell'elettrostatica.
4. Corrente elettrica. Corrente elettrica, modello di Drude-Lorentz, velocità di deriva e velocità termica degli elettroni di conduzione. Intensità di corrente e densità di corrente. Legge di Ohm in forma locale e integrale, resistenza, conduttanza,  resistività e conduttività. Resistori. Resistori collegati in serie e in parallelo. Potenza dissipata, legge di Joule. Superconduttori. Generatori elettrici. Natura non elettrostatica e non conservativa delle forze agenti sulle cariche in un generatore. Il generatore di Van der Graaf. Circuiti in corrente continua. Elettrodotti: utilizzo dell'alta tensione per ridurre la dissipazione. Transitori in un circuito RC: processo di carica e scarica di un condensatore.
5. Forza magnetica. L'interazione tra due cariche puntiformi in movimento uniforme, legge di Ampère-Biot-Savart. Forza magnetica e sue caratteristiche: natura non centrale, inabilità a compiere lavoro, violazione del principio di azione e reazione, quantità di moto trasportata dal campo. Distribuzioni continue di carica in movimento. Conservazione locale della carica elettrica, equazione di continuità in forma locale e integrale. Il campo magnetico, forza di Lorentz, forza magnetica agente su di una distribuzione continua di carica in moto in un campo magnetico, campo magnetico generato da una distribuzione continua di carica in moto. Circuiti filiformi, prima e seconda formula di Laplace, legge di Biot e Savart, campo magnetico generato da una spira circolare e da un solenoide. Forza tra due fili rettilinei paralleli percorsi da corrente, definizione dell'Ampère.
6. Le equazioni del campo magnetico. Tubi di flusso. Flusso del campo magnetico. Legge di Gauss per il campo magnetico in forma integrale e locale. Assenza della carica magnetica. Circuitazione del campo magnetico. Legge di Ampère-Maxwell in forma integrale e locale, corrente di spostamento. Legge di Ampère-Maxwell e conservazione della carica elettrica. Calcolo di campi magnetici con la legge di Ampère-Maxwell: filo elettrico rettilineo indefinito, solenoide.
7. Induzione elettromagnetica. Campi elettrici a flusso nullo e circuitazione diversa da zero. Circuitazione del campo elettrico. Legge di Faraday-Lenz in forma integrale e locale. Campo elettrico indotto, forza elettromotrice e corrente indotta. Le equazioni di Maxwell.
8. Circuiti elettrici. Autoinduzione. Induttanza di un solenoide. Energia accumulata in un induttore percorso da corrente. Densità di energia associata al campo magnetico. Mutua induzione. Trasformatori. Valore medio e valore quadratico medio (valore efficace). Corrente alternata. Formula di Galileo Ferraris. Elementi di circuito: resistori, condensatori, induttori e generatori di tensione. Reti elettriche, maglie, nodi e rami. Le leggi di Kirchhoff e la regola di Maxwell. Transitori in un circuito RL. Extracorrente di apertura. Circuito oscillante RLC-serie, analogie con l'oscillatore meccanico smorzato. La notazione complessa. Stato stazionario di un circuito RLC-serie sottoposta a forza elettromotrice alternata. Impedenza, resistenza, reattanza, ammettenza, conduttanza e suscettanza.
9. Onde elettromagnetiche. Densità del flusso di energia, vettore di Poynting. Conservazione dell'energia e teorema di Poynting. Onde elettromagnetiche, equazione di d'Alambert. Soluzione dell'equazione di d'Alambert: onde piane progressive e regressive,  onde sferiche divergenti e convergenti. Onde monocromatiche: periodo e lunghezza d'onda, frequenza angolare, numero d'onda e vettore d'onda, indice di rifrazione. Luce policromatica e luce bianca: spettro di ampiezza e spettro di fase. Analisi spettrale. Spettro della luce solare, di una lampada a incandescenza e di una lampada fluorescente. Sintesi additiva e sottrattiva dei colori, spettro dei colori fondamentali.
10. Lo spettro delle onde elettromagnetiche. Onde radio. Antenne. Diffrazione. Propagazione delle onde radio oltre gli ostacoli. Microonde. Klystron e magnetron. Il forno a microonde. Radiazione infrarossa. Radiazione visibile. Sorgenti di luce visibile. Lampade a incandescenza e lampade a scarica. Tubi fluorescenti. Diffrazione: lunghezza d'onda utilizzata per leggere CD, DVD e BD. Radiazione ultravioletta. Dipendenza dell'energia dei quanti elettromagnetici dalla frequenza. Capacità ionizzante delle onde em di alta frequenza. Raggi X. Raggi gamma.
11. Polarizzazione delle onde elettromagnetiche. Trasversalità delle onde em. Relazione tra campo elettrico e campo magnetico in un'onda em. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Polarizzazione destrorsa e sinistrorsa. Onde em non polarizzate e parzialmete polarizzate. Metodi di polarizzazione delle onde em: emissione selettiva, assorbimento selettivo, diffusione singola e riflessione. Polarizzatore perfetto, legge di Malus. Angolo di Brewster. Lamine di ritardo. Intensità luminosa. Matrice di coerenza e grado di polarizzazione. Applicazioni: occhiali antiriflesso e cristalli liquidi.
12. Ottica geometrica. Diffrazione e approssimazione dell'ottica geometrica: angolo di allargamento di un fascio di luce dovuto alla diffrazione. Fenomeni di diffrazione di Fresnel. Il raggio luminoso. Riflessione, rifrazione e legge di Snell. Principio di Huygens-Fresnel e formulazione matematica di Kirchhoff. Derivazione delle leggi della riflessione e della rifrazione dal principio di Huygens-Fresnel. Specchio piano. Prisma. Diottro sferico. Approssimazione di Gauss. Equazione del diottro. Ingrandimento lineare trasversale e ingrandimento angolare. Punti coniugati e fuochi. Specchio sferico. Equazione dello specchio sferico. Sistemi ottici centrati, lente semplice e lente sottile. Equazione della lente. Aberrazioni: aberrazione sferica, coma, astigmatismo dei fasci inclinati, curvatura di campo, distorsione, aberrazione cromatica. Macchina fotografica: luminosità e apertura relativa dell'obbiettivo, diaframma e otturatore, profondità di campo. L'occhio, accomodazione, modello ridotto dell'occhio.
13. Interferenza. L'esperimento di Young. Fallimento dell'ipotesi corpuscolare della luce e spiegazione ondulatoria. Massimi e minimi di interferenza. Condizioni per l'interferenza. Coerenza. Interfereometri a divisione di ampiezza e a divisione del fronte d'onda. Lunghezza di coerenza. Specchi di Fresnel, biprisma di Fresnel, interferometro di Rayleigh, cammino ottico, misura dell'indice di rifrazione di un gas, interferenza da lamine sottili, interferometro di Michelson.

Testi/Bibliografia

• Copia delle trasparenze proposte a lezione, disponibili su World Wide Web all'URL: https://lhcbweb.bo.infn.it/twiki/bin/view.cgi/GalliDidattica/GalliTrasparenze.
• Domande ed esercizi per la verifica dell'apprendimento, disponibili su World Wide Web all'URL: https://lhcbweb.bo.infn.it/twiki/bin/view.cgi/GalliDidattica/GalliDomandeEsercizi.
• Halliday, Resnick, Walker, Fondamenti di Fisica, volume 2, quinta edizione, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
• Amaldi, Bizzarri, Pizzella, Fisica Generale, elettromagnetismo, relatività, ottica, Zanichelli, Bologna.
• Feynmann, La fisica di Feynmann, volume 2 - Elettromagnetismo e struttura della materia, Zanichelli, Bologna.
• Rosati, Casali, Problemi di Fisica Generale, volume 2, elettricità, magnetismo, elettrodinamica e ottica, seconda edizione, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
• Salandin, Pavan, Problemi di Fisica risolti e commentati, volume 2, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
• Bertin, Semprini Cesari, Vitale, Zoccoli, Lezioni di elettromagnetismo, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna.

Metodi didattici

• Le lezioni prevedono l'utilizzo del videoproiettore collegato a un PC su cui sono memorizzate le trasparenze.
• Tali trasparenze sono rese disponibili agli studenti prima della lezione mediante World Wide Web, in forma compatta (4 per pagina) e stampabile, onde ridurre il tempo e il lavoro di mera trascrizione durante le lezioni.
• Le esercitazioni proposte richiedono l'uso della calcolatrice tascabile.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

• La verifica si basa su di una prova scritta.
• I compiti d'esame sono costituiti da almeno 3 problemi da risolvere e da almeno 4 domande di teoria a cui rispondere.
• Il tempo massimo assegnato per le prove scritte è pari a 90 minuti.
• Gli esercizi sono tratti casualmente da una lista di qualche centinaio di esercizi, disponibile agli studenti tramite World Wide Web (si utilizza l'ultima lista pubblicata sul Web 15 giorni prima dell'esame). Gli esercizi sono valutati sulla base dei risultati numerici, i quali sono funzione di un numero, assegnato, individualmente, a ogni studente che sostenga la prova. La valutazione del singolo esercizio è pari a 3/3 se il risultato è corretto entro 5 unità della terza cifra significativa, è pari a 2/3 se il risultato è corretto entro 10 unità della terza cifra significativa, è pari a 1/3 se il risultato è corretto entro 20 unità della terza cifra significativa oppure se la mantissa del risultato è corretto entro 5 unità della terza cifra significativa ma l'esponente diverso di una unità. In ogni altro caso la valutazione è pari a 0/3.
• Le domande sono tratte casualmente da una lista di qualche centinaio di domande, disponibile agli studenti tramite  World Wide Web (si utilizza l'ultima lista pubblicata sul Web 15 giorni prima dell'esame). A ogni domanda è assegnata una valutazione compresa tra 0 e 3.
• Il risultato della valutazione del singolo esercizio e della singola domanda è rinormalizzato in modo che il terzo quartile delle valutazioni di tale esercizio corrisponda a un punteggio di 3/3. Il voto complessivo del compito si ottiene calcolando separatamente la media aritmetica delle valutazioni delle domande e la media aritmetica delle valutazioni degli esercizi, quindi calcolando la media aritmetica delle due valutazioni e riportandola in trentesimi. Gli arrotondamenti si eseguono una volta sola, all'intero più vicino.
• Per partecipare alle prove scritte è necessario iscriversi nelle liste disponibili sul sistema AlmaEsami con almeno 8 (otto) giorni di anticipo sulla data dell'esame.
• Nel caso si verifichino irregolarità nello svolgimento della prova di esame (consultazione di testi, appunti più o meno miniaturizzati o memorizzati su dispositivi elettronici, utilizzo di telefoni cellulari, walkie-talkie o auricolari, comunicazione scritta o verbale con altri studenti, allontanamento dall'aula prima della consegna definitiva dell'elaborato, occupazione di un posto diverso da quello assegnato, ecc.) è prevista l'espulsione dall'appello di esame e il deferimento all'autorità disciplinare competente.
• L'esame di Fisica Generale (C.I.) è ritenuto superato se la media delle valutazioni dei moduli di Fisica Generale A e di Fisica Generale B è maggiore o uguale a 18/30  e se la singola valutazione è maggiore o uguale a 15/30. Le verifiche relative ai due moduli (Fisica Generale A e Fisica Generale B) devono essere superate nel medesimo Anno Accademico. Il voto verbalizzato, in caso di superamento, è la media delle due valutazioni.
  

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, PC.

Link ad altre eventuali informazioni

https://lhcbweb.bo.infn.it/GalliDidattica

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Domenico Galli