Fisica (D54)

Programma del modulo:
Argomenti propedeutici
Geometria analitica, funzioni goniometriche seno, coseno, tangente e loro proprietà fondamentali. I vettori: proprietà ed operazioni, prodotto scalare, versori, componenti.
Il metodo sperimentale
Processo di misura, errori di misura e sistemi di unità di misura. Cifre significative.
Meccanica del punto materiale e dei sistemi di punti materiali
Sistema di riferimento e sistema di coordinate. Definizione di punto materiale. Legge oraria del moto. Velocità media ed istantanea. Moto rettilineo uniforme. Accelerazione media ed istantanea. Moto rettilineo uniformemente accelerato. Moto vario.
Concetti di forza e di massa. Principi della dinamica classica. Esempi di forze: forza gravitazionale, elettrica, elastica. Accelerazione di gravità; moto di un grave in due dimensioni. Peso e gravità.
Moto su traiettoria curvilinea: spostamento e velocità angolari, accelerazione e forza centripeta; esempi relativi ai moti dei pianeti, dei satelliti e degli elettroni.
Energia, lavoro e potenza: definizioni ed esempi. Energia potenziale e cinetica. Teorema dell'energia cinetica. Teorema della conservazione dell'energia meccanica.
L'attrito e la conservazione dell'energia in presenza di forze dissipative.
Centro di massa e sue proprietà. Quantità di moto, momento angolare ed equazioni che ne governano l'evoluzione nel tempo (1^ e 2^ Equazione Cardinale).
Statica: le condizioni di equilibrio.
Le leve. Esempi di modellizzazione con sistemi di leve nel corpo umano.
Elasticità: sforzo e deformazione.
Proprietà dei sistemi fluidi
Generalità. Modello microscopico per i vari stati della materia. Moto caotico e velocità di deriva. Densità, viscosità ed attrito interno, compressibilità. Pressione e dispositivi per la sua misura assoluta e relativa. Principio di Pascal ed applicazioni. Legge di Stevino. Vasi comunicanti. Spinta idrostatica, legge di Archimede ed applicazioni.
Moto laminare e turbolento. Equazione di continuità e sue conseguenze. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni. Teorema di Torricelli. Equazione di Poiseuille e sua applicazione alla circolazione del sangue. Numero di Reynolds. Pompe a vuoto e di spinta: il cuore come pompa per la circolazione. Misura della pressione sanguigna. Pompa centrifuga.
Tensione superficiale ed esempi. Leggi di Laplace. Capillarità ed adesione.
Termodinamica
Variabili intensive ed estensive. Definizione operativa della temperatura; scale Kelvin, Celsius e Fahreneit. Equilibrio termodinamico. Sistema isolato, aperto e chiuso. Possibili canali per lo scambio di energia. Equazione di stato e rappresentazione cartesiana dello stato termodinamico.
Trasformazioni. Processi reversibili ed irreversibili. Il diagramma di fase del gas perfetto e del gas reale omogeneo.
Relazione tra energia cinetica e temperatura. Distribuzione delle velocità molecolari.
Energia interna di un gas perfetto e di un gas reale. Energia interna come funzione di stato. Lavoro termodinamico. Materiali conduttori ed isolanti termici. Il calore; capacità termica e calore specifico. Grande e piccola caloria e relazione col Joule. Primo principio della termodinamica e conservazione dell'energia. Macchine termiche e rendimento; macchina a vapore e macchina di Carnot. Enunciati del secondo principio della termodinamica e loro discussione. Trasmissione del calore. Termoregolazione del corpo umano (cenni). Potenziali termodinamici.
Elementi di elettromagnetismo
Nozioni di struttura microscopica della materia. Azioni elettriche attrattive e repulsive; cariche elettriche positive e negative. Stabilità del nucleo e dell'atomo.
Materiali isolanti e conduttori elettrici. Induzione elettrostatica. La carica elettrica e la legge della sua conservazione. La legge di Coulomb. Confronto tra forza elettrica e gravitazionale. Principio di sovrapposizione degli effetti. Definizione di campo elettrico; linee di forza del campo. Conservatività del campo elettrostatico. Potenziale elettrico ed energia potenziale. Capacità e condensatori. Condensatore con dielettrico. Forze elettriche in biologia molecolare.
Conduttori e corrente elettrica; intensità di corrente. Forza elettromotrice. Conduzione ohmica e resistenza elettrica. Cenni sulla conduzione elettrica nel sistema nervoso.
Effetti magnetici dovuti a cariche in moto. Campo di induzione magnetica B e forza di Lorentz. Legge di Biot e Savart. Principio di equivalenza di Ampère. Correnti atomiche e magnetismo nella materia.
Induzione elettromagnetica: fenomenologia, esempi applicativi ed equazione di Faraday-Neumann-Lenz.
La corrente alternata. Onde elettromagnetiche (e.m.): generazione e proprietà principali. Spettro delle onde e.m. Aspetto corpuscolare della radiazione e.m.
Necessità di una nuova fisica per lo studio delle proprietà microscopiche della materia (cenni).
Il tubo a raggi catodici: caratteristiche ed esempi (schermi della TV e del computer, l'oscilloscopio).
Ottica geometrica
Riflessione e rifrazione della luce. Legge di Snell. Riflessione interna totale e fibre ottiche. Lenti sottili e l'equazione delle lenti.
Ottica ondulatoria
Argomenti non svolti nella loro integralità
Natura ondulatoria della luce. Principio di Huygens e diffrazione. Esperimenti con singola e doppia fenditura. Reticolo di diffrazione. Lo spettrometro e sue applicazioni. Interferometri. Polarizzazione. Diffusione della luce da parte dell'atmosfera.
Radiazione X: natura e produzione. Interazione con la materia. Processi di attenuazione.
Tecnica radiografica (cenni).
Strumenti ottici
Lente di ingrandimento e microscopio. L'occhio umano. Aberrazioni. Radiografie e tomografie assiali computerizzate (TAC).
Radioattività ed energia nucleare
Argomenti non svolti nella loro integralità
Isotopi stabili. Radiazione alfa, beta e gamma e radioattività naturale. Legge del decadimento radioattivo e misure di radioattività.
Reazioni nucleari e trasmutazione degli elementi. Fissione e fusione nucleare. Effetti ed impieghi dell'energia nucleare: danni provocati dalla radiazione, radioterapia, tomografia ad emissione, risonanza magnetica nucleare (RMN).