Onde e oscillazioni

A.A. 2021/2022
7
Crediti massimi
64
Ore totali
SSD
FIS/01
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Scopo del corso è di fornire allo studente un'introduzione alla fisica dei processi oscillatori e ondulatori. Trattandosi di un corso introduttivo, quando possibile vengono svolte brevi dimostrazioni sperimentali in aula per aiutare gli studenti nella visualizzazione del fenomeno investigato. L'introduzione fenomenologica verrà affiancata dalla formulazione di semplici modelli descrittivi, per arrivare a mostrare l'unitarietà nella descrizione teorica di processi oscillatori ed ondulatori di natura diversa.
Risultati apprendimento attesi
Alla conclusione del corso, lo studente avrà acquisito le seguenti abilità:
- Capacità di descrivere la fenomenologia di base dei processi oscillatori e ondulatori
- Capacità di descrivere i processi oscillatori e ondulatori con semplici modelli linearizzati
- Capacità di risolvere quantitativamente dei problemi inerenti alla fisica dei processi oscillatori e ondulatori
Programma e organizzazione didattica

CORSO A

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
L'insegnamento potrà essere erogato in remoto se vi fossero
limitazioni alla mobilità legate all'emergenza sanitaria. In tal caso le
lezioni si svolgeranno in modalita' asincrona, attraverso lezioni pre-registrate. L'interazione con i docenti verra' garantita comunque attraverso la funzione Forum di Ariel, via email o con sessioni Zoom dedicate.
Programma
1- Oscillazioni
- Oscillatore armonico
- Introduzione/richiami sulle eqz. differenziali
- Oscillatore armonico smorzato.
- Introduzione ai numeri complessi
- Oscillatore forzato-smorzato, risonanza

2- Onde meccaniche: Corda vibrante
- Oscillatori a più gradi di libertà, corda vibrante
- Derivazione dell'equazione di d'Alembert per la corda e sue proprietà
- Proprietà della funzione d'onda, onde armoniche
- Corda vincolata e onde stazionarie, modi normali
- Potenza di un'onda
- Coefficienti di trasmissione e riflessione

3- Onde meccaniche: acustica
- Elementi di termodinamica
- Onde acustiche in un gas perfetto
- Velocità del suono
- Onde acustiche stazionarie
- Potenza di un'onda acustica
- Onde piane e sferiche
- Fonometria e livello sonoro
- Attenuazione geometrica e per assorbimento
- Percezione dei suoni, scala armonica e strumenti musicali
- Effetto Doppler

4 - Introduzione all'analisi di Fourier
- Modi normali e serie di Fourier di seni e coseni
- Coefficienti di Fourier, spettro, esempi e applicazioni
- Descrizione nel campo complesso, integrale e trasformata di Fourier, delta di Dirac
- Dualità spazio/frequenze, principio di indeterminazione
- Relazione di dispersione e battimenti
- Onde di De Broglie e pacchetti di Fourier
- Natura delle "onde di materia"
- L'equazione d'onda quantistica

5 - Riflessione e rifrazione di onde acustiche e luminose
- Leggi di Snell-Cartesio
- Principio di Fermat
- Riflessione totale interna
- Coefficienti di riflessione e di trasmissione
- Dispersione cromatica

6 - Interferenza e diffrazione di onde acustiche e luminose
- Spettro delle onde elettromagnetiche; velocità della luce; dualità onda-corpuscolo
- Interferenza e battimenti
- Principio di Huygens-Fresnel
- Diffrazione di Fraunhofer da un'apertura
- Interferenza da una doppia fenditura
- Criterio di Rayleigh
- Reticolo di diffrazione
- Interferenza da una lamina sottile
- Interferometro di Michelson

7 - Ottica Geometrica
- Approssimazione parassiale; formazione di immagine;
- Specchi piani e curvi; diottri; Lenti sottili; equazione del costruttore di lenti
- Sistemi di lenti e specchi e strumenti ottici
Prerequisiti
- calcolo integrale e differenziale
- trigonometria
- elementi di meccanica
Metodi didattici
L'insegnamento prevede lezioni frontali in aula. Gli argomenti vengono introdotti partendo dalla fenomenologia, per arrivare a formulare semplici modelli descrittivi lineari. All'introduzione fenomenologica vengono affiancate delle dimostrazioni sperimentali, allo scopo di permettere agli studenti di visualizzare i fenomeni illustrati. Le lezioni frontali sono affiancate da una parte di esercitazioni, nel corso delle quali utilizzando i modelli teorici formulati durante le lezioni frontali vengono risolti problemi quantitativi.
Materiale di riferimento
- Video-lezioni del docente L. Guzzo
- Fleisch, Kinnaman, Guida allo Studio delle Onde, Ed. Riuniti
- Mazzoldi-Nigro-Voci, Fisica 2, Edises
Integrazione e approfondimento:
- Halliday-Resnick-Krane, Fisica vol 1 e 2, CEA
- Jewett & Serway, Principi di Fisica, vol 1, Edises
- Bettini, Le onde e la luce, Zanichelli
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame comprende una prova scritta seguita da una prova orale. La prova scritta include alcuni esercizi di difficoltà analoga a quella dei problemi proposti nel corso delle esercitazioni, da svolgere in due ore. Sul sito dell'insegnamento è presente una raccolta di temi d'esame. Gli studenti che frequentano l'insegnamento hanno la possibilità di sostituire la prova scritta con due prove in itinere, che hanno luogo a metà corso e al termine del corso. Per accedere alla prova orale è necessario aver conseguito la sufficienza in entrambe le prove in itinere. Le prove consistono in alcuni esercizi di impostazione analoga a quelli svolti durante le esercitazioni dell'insegnamento e di difficoltà confrontabile con quelli della prova scritta. Un risultato positivo nelle prove scritte (singola o in itinere) rimane valido per un anno solare. In caso di emergenza Covid le modalita' dello scritto potranno subire variazioni, come accaduto negli AA precedenti. Queste verranno comunicate e illustrate durante lo svolgimento del corso stesso.

L'esame orale ha una durata tra i venti e i trenta minuti e consiste in domande sui fenomeni oscillatori e la teoria presentata durante le lezioni. Durante il colloquio viene valutata la capacità di descrivere in modo appropriato la fenomenologia dei processi fisici oggetto della discussione, ricavando correttamente i relativi modelli descrittivi. Viene inoltre valutata la capacità di ragionamento critico nell'affrontare problemi nuovi collegati a quanto visto a lezione.
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 7
Esercitazioni: 24 ore
Lezioni: 40 ore
Docente: Guzzo Luigi

CORSO B

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
L'insegnamento potrà essere erogato interamente da remoto se vi fossero
limitazioni alla mobilità legate all'emergenza sanitaria. In tal caso le
lezioni verranno offerte in forma sincrona
Programma
1- Oscillazioni
- Oscillatore armonico
- Oscillatore armonico smorzato.
- Oscillatore forzato-smorzato

2- Onde meccaniche: Corda vibrante
- Corda non vincolata
- Equazione di d'Alembert
- Proprietà della funzione d'onda
- Corda vibrante vincolata e onde stazionarie
- Onda armonica
- Introduzione all'analisi di Fourier
- Potenza di un'onda
- Coefficienti di trasmissione e riflessione

3- Onde meccaniche: acustica
- Elementi di termodinamica
- Onde acustiche in un gas perfetto
- Velocità del suono
- Onde acustiche stazionarie
- Potenza di un'onda acustica
- Onde piane e sferiche
- Fonometria e livello sonoro
- Attenuazione geometrica e per assorbimento
- Percezione dei suoni, scala armonica e strumenti musicali
- Effetto Doppler

4- Riflessione e rifrazione di onde acustiche e luminose
- Leggi di Snell-Cartesio
- Principio di Fermat
- Riflessione totale interna
- Coefficienti di riflessione e di trasmissione
- Dispersione cromatica

5- Interferenza e diffrazione di onde acustiche e luminose
- Spettro delle onde elettromagnetiche; velocità della luce; dualità onda-corpuscolo
- Interferenza e battimenti
- Principio di Huygens-Fresnel
- Diffrazione di Fraunhofer da un'apertura
- Interferenza da una doppia fenditura
- Criterio di Rayleigh
- Reticolo di diffrazione
- Interferenza da una lamina sottile
- Interferometro di Michelson

6 - Ottica Geometrica
- Approssimazione parassiale; formazione di immagine;
- Specchi piani e curvi; diottri; Lenti sottili; equazione del costruttore di lenti
- Sistemi di lenti e specchi e strumenti ottici
- Polarizzazione della luce
Prerequisiti
- calcolo integrale e differenziale
- trigonometria
- elementi di meccanica
Metodi didattici
L'insegnamento prevede lezioni frontali in aula. Gli argomenti vengono introdotti partendo dalla fenomenologia, per arrivare a formulare semplici modelli descrittivi lineari. All'introduzione fenomenologica vengono affiancate delle dimostrazioni sperimentali, allo scopo di permettere agli studenti di visualizzare i fenomeni illustrati. Le lezioni frontali sono affiancate da una parte di esercitazioni, nel corso delle quali utilizzando i modelli teorici formulati durante le lezioni frontali vengono risolti problemi quantitativi.
Materiale di riferimento
- Mazzoldi-Nigro-Voci, Fisica 2, Edises
Integrazione e approfondimento:
- Halliday-Resnick-Krane, Fisica vol 1 e 2, CEA
- Jewett & Serway, Principi di Fisica, vol 1, Edises
- Bettini, Le onde e la luce, Zanichelli
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame comprende una prova scritta seguita da una prova orale. La prova scritta include alcuni esercizi di difficoltà analoga a quella dei problemi proposti nel corso delle esercitazioni. La prova scritta ha la validità di un anno solare. Sul sito dell'insegnamento è presente una raccolta di temi d'esame. L'esame orale ha una durata approssimativa di trenta minuti e consiste nel rispondere a domande sulle oscillazioni, sulle onde meccaniche e luminose. Vengono valutate la capacità di descrivere la fenomenologia dei processi fisici oggetto della discussione e la capacità di riprodurre correttamente i relativi modelli descrittivi. Viene inoltre valutata la capacità di ragionamento critico nell'affrontare problemi nuovi.
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 7
Esercitazioni: 24 ore
Lezioni: 40 ore
Docente: Vailati Alberto
Docente/i
Ricevimento:
Su prenotazione via email
Via teleconferenza Zoom
Ricevimento:
su appuntamento, contattare il docente tramite posta elettronica
Stanza DC/I/22, Dipartimento di Fisica