Fisica applicata
A.A. 2023/2024
Obiettivi formativi
Lo scopo di questo corso è duplice:
consolidare le basi concettuali indispensabili per la comprensione dei fenomeni molecolari e biomolecolari e delle tecnologie. Particolare enfasi verrà data alla termodinamica e al corretto uso del concetto di energia;
introdurre le nozioni di base relative alla fluorescenza e alla microscopia ottica, consentendo con ciò una corretta comprensione di alcune metodologie di base dell'ambito biotecnologico.
consolidare le basi concettuali indispensabili per la comprensione dei fenomeni molecolari e biomolecolari e delle tecnologie. Particolare enfasi verrà data alla termodinamica e al corretto uso del concetto di energia;
introdurre le nozioni di base relative alla fluorescenza e alla microscopia ottica, consentendo con ciò una corretta comprensione di alcune metodologie di base dell'ambito biotecnologico.
Risultati apprendimento attesi
Nel corso lo studente: (a) conosce le grandezze fisiche principali di rilevanza nel contesto delle Biotecnologie, con particolare enfasi alle grandezze termodinamiche, e le loro unità di misura; (b) impara a gestire quantitativamente tali grandezze all'interno di problemi esemplificativi; (c) impara le basi fisiche e tecnologiche della microscopia ottica e della fluorescenza.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
INTRODUZIONE ALLA DESCRIZIONE QUANTITATIVA DEI MOTI
Introduzione alle grandezze fisiche e corretto uso delle loro trasformazioni
Descrizione del moto dei corpi: dimensionalità, velocità, accelerazione, scomposizione del moto secondo assi ortogonali, moto parabolico, gittata
Le tre leggi della dinamica, definizione di massa e forza
Introduzione a diversi tipi di forza: forza peso, forza attrito statico e dinamico, reazione vincolare, forza elastica
Introduzione alla descrizione dei fluidi: pressione in un fluido, legge di Stevino, forza di Archimede, forza di attrito viscoso (definizione e forza di attrito viscoso su una sfera)
Lavoro delle forze
Teorema dell'energia cinetica
Forze conservative e non conservative
Energia potenziale (con esemplificazioni per forza peso e forza elastica)
Conservazione e dissipazione dell'energia meccanica, definizione di potenza
TERMODINAMICA
Principio zero della termodinamica: contatto termico
Termometri e definizione di scala termometrica (Kelvin e Celsius)
Calore e caloria
Contatto termico ed equilibrio termico
Equazione di stato dei gas perfetti
Teoria cinetica dei gas (descrizione miscoscopia della temperatura, principio di equipartizione dell'energia)
Equilvalenza lavoro-calore (esperimento di Joule)
Primo principio della termodinamica
Trasformazioni dei gas perfetti (isoterma, isobara, isocora, adiabatica)
Energia interna e potenziale di interazione
Termalizzazione e distribuzione dell'energia di Boltzmann (dinamica attivata)
Random walk (e random chain) e diffusione (coefficiente di diffusione, legge di Fick)
Secondo principio della termodinamica (Clausius, Kelvin)
Ciclo di Carnot, macchina termica e rendimento
Definizione di entropia
Processi irreversibili in un sistema isolato (espansione libera, termalizzazione di due corpi a contatto), rendimento di macchine con processi irreversibili, lavoro perso e degrado energia
Descrizione statistica dell'entropia (spazio delle configurazioni e delle velocita')
Energia libera
ELETTROSTATICA E OTTICA
Carica elettrica e forza di Coulomb,
Energia potenziale elettrostatica, campo elettrico, potenziale elettrico
Isolanti e conduttori (metallici ed elettrolitici)
Corrente elettrica, resistenza, legge di Ohm globale e locale
Effetto Joule
Natura della radiazione elettromagnetica, frequenza, velocita' di propagazione, lunghezza d'onda, vettor d'onda
Spettro della radiazione, radiazione luminosa, potenza della radiazione
Polarizzazione
Indice di rifrazione, rifrazione, riflessione totale
BASI FISICHE DI FLUORESCENZA E MICROSCOPIA OTTICA
Introduzione al concetto di immagine ottica e formazione di immagine tramite lenti. Lenti convergenti e divergenti. Immagini reali e virtuali. Aberrazioni delle lenti (aberrazione cromatica, sferica, di curvatura di campo).
Proprietà principali delle sorgenti di luce di uso comune (lampada a incandescenza, ad arco, led e laser) e dei rivelatori di luce (fotodiodi, CCD, fototubi).
Introduzione allo spettro della luce. Metodi di discriminazione dello spettro in lunghezza d'onda (filtri dicroici e reticoli di diffrazione).
Introduzione alle misure spettrali e struttura di base dello spettrofotometro.
Introduzione alla fluorescenza e struttura di base dei fluorimetri. Introduzione alla FRET.
Introduzione alla struttura dei microscopi ottici: componenti e geometrie dei miscroscopi ottici; piani coniugati.
Ingrandimento e risoluzione. Ruolo dell'apertura numerica nella risoluzione.
Illuminazione nel microscopio. Utilizzo del condensatore.
Microscopia in campo chiaro e campo scuro, microscopia fluorescente, microscopia polarizzata, microscopia a contrasto di fase.
Introduzione alle grandezze fisiche e corretto uso delle loro trasformazioni
Descrizione del moto dei corpi: dimensionalità, velocità, accelerazione, scomposizione del moto secondo assi ortogonali, moto parabolico, gittata
Le tre leggi della dinamica, definizione di massa e forza
Introduzione a diversi tipi di forza: forza peso, forza attrito statico e dinamico, reazione vincolare, forza elastica
Introduzione alla descrizione dei fluidi: pressione in un fluido, legge di Stevino, forza di Archimede, forza di attrito viscoso (definizione e forza di attrito viscoso su una sfera)
Lavoro delle forze
Teorema dell'energia cinetica
Forze conservative e non conservative
Energia potenziale (con esemplificazioni per forza peso e forza elastica)
Conservazione e dissipazione dell'energia meccanica, definizione di potenza
TERMODINAMICA
Principio zero della termodinamica: contatto termico
Termometri e definizione di scala termometrica (Kelvin e Celsius)
Calore e caloria
Contatto termico ed equilibrio termico
Equazione di stato dei gas perfetti
Teoria cinetica dei gas (descrizione miscoscopia della temperatura, principio di equipartizione dell'energia)
Equilvalenza lavoro-calore (esperimento di Joule)
Primo principio della termodinamica
Trasformazioni dei gas perfetti (isoterma, isobara, isocora, adiabatica)
Energia interna e potenziale di interazione
Termalizzazione e distribuzione dell'energia di Boltzmann (dinamica attivata)
Random walk (e random chain) e diffusione (coefficiente di diffusione, legge di Fick)
Secondo principio della termodinamica (Clausius, Kelvin)
Ciclo di Carnot, macchina termica e rendimento
Definizione di entropia
Processi irreversibili in un sistema isolato (espansione libera, termalizzazione di due corpi a contatto), rendimento di macchine con processi irreversibili, lavoro perso e degrado energia
Descrizione statistica dell'entropia (spazio delle configurazioni e delle velocita')
Energia libera
ELETTROSTATICA E OTTICA
Carica elettrica e forza di Coulomb,
Energia potenziale elettrostatica, campo elettrico, potenziale elettrico
Isolanti e conduttori (metallici ed elettrolitici)
Corrente elettrica, resistenza, legge di Ohm globale e locale
Effetto Joule
Natura della radiazione elettromagnetica, frequenza, velocita' di propagazione, lunghezza d'onda, vettor d'onda
Spettro della radiazione, radiazione luminosa, potenza della radiazione
Polarizzazione
Indice di rifrazione, rifrazione, riflessione totale
BASI FISICHE DI FLUORESCENZA E MICROSCOPIA OTTICA
Introduzione al concetto di immagine ottica e formazione di immagine tramite lenti. Lenti convergenti e divergenti. Immagini reali e virtuali. Aberrazioni delle lenti (aberrazione cromatica, sferica, di curvatura di campo).
Proprietà principali delle sorgenti di luce di uso comune (lampada a incandescenza, ad arco, led e laser) e dei rivelatori di luce (fotodiodi, CCD, fototubi).
Introduzione allo spettro della luce. Metodi di discriminazione dello spettro in lunghezza d'onda (filtri dicroici e reticoli di diffrazione).
Introduzione alle misure spettrali e struttura di base dello spettrofotometro.
Introduzione alla fluorescenza e struttura di base dei fluorimetri. Introduzione alla FRET.
Introduzione alla struttura dei microscopi ottici: componenti e geometrie dei miscroscopi ottici; piani coniugati.
Ingrandimento e risoluzione. Ruolo dell'apertura numerica nella risoluzione.
Illuminazione nel microscopio. Utilizzo del condensatore.
Microscopia in campo chiaro e campo scuro, microscopia fluorescente, microscopia polarizzata, microscopia a contrasto di fase.
Prerequisiti
Il corso non richiede conoscenze preliminari
Metodi didattici
Il corso prevede sia lezioni frontali che esercitazioni, queste ultime finalizzate alla risoluzione in classe di problemi.
Sulla piattaforma Ariel sono presenti i seguenti materiali didattici:
- Un indice dettagliato degli argomenti trattati nel corso. Questo indice deve essere utilizzato come base di riferimento per lo studio effettuato si normali libri di testo, in quanto questi tipicamente contengono più materiale rispetto a quello trattato nel corso.
- I file pdf delle slides utilizzate per trattare a lezione la parte di tecnologie.
Sulla piattaforma Ariel sono presenti i seguenti materiali didattici:
- Un indice dettagliato degli argomenti trattati nel corso. Questo indice deve essere utilizzato come base di riferimento per lo studio effettuato si normali libri di testo, in quanto questi tipicamente contengono più materiale rispetto a quello trattato nel corso.
- I file pdf delle slides utilizzate per trattare a lezione la parte di tecnologie.
Materiale di riferimento
Sul sito del corso sarà disponibile un elenco molto dettagliato degli argomenti del corso, con commenti ed approfondimenti.
Tale elenco serve per reperire materiale di studio sugli argomenti trattati all'interno di testi universitari di fisica.
Non c'è un testo unico di riferimento, poiché gli argomenti trattati si trovano con facilità in tutti i testi universitari di fisica per scienze biologiche.
Tale elenco serve per reperire materiale di studio sugli argomenti trattati all'interno di testi universitari di fisica.
Non c'è un testo unico di riferimento, poiché gli argomenti trattati si trovano con facilità in tutti i testi universitari di fisica per scienze biologiche.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame sarà in forma scritta e composta da due parti relative alle due parti del corso: 1. fondamenti concettuali, 2. tecnologie.
La prova relativa alla parte di fondamenti è composta da sei domande aperte: la risposta esatta a tre di esse permette di conseguire la sufficienza, mentre la risposta esatta anche alle altre tre, di complessità leggermente maggiore, consente di arrivare alla lode. Quattro delle sei domande saranno in forma di problemi quantitativi, mentre le rimanenti due saranno in forma di domanda teorica. Verranno valutate: la capacità di impostare correttamente la risoluzione del problema chiarendo quali equazioni vengono utilizzate e perché, e la capacità di elaborazione quantitativa che consente di arrivare al risultato corretto, di cui devono essere specificate le unità di misura.
La prova relativa alla parte di tecnologie è invece composta da domande a risposta chiusa (vero o falso) e da uno schema di funzionamento di un fenomeno o dispositivo descritto a lezione.
Nelle lezioni finali del corso è prevista una prova in itinere per la parte di tecnologie.
L'esito della valutazione verrà comunicata attraverso il sistema informatico dell'Ateneo.
La prova relativa alla parte di fondamenti è composta da sei domande aperte: la risposta esatta a tre di esse permette di conseguire la sufficienza, mentre la risposta esatta anche alle altre tre, di complessità leggermente maggiore, consente di arrivare alla lode. Quattro delle sei domande saranno in forma di problemi quantitativi, mentre le rimanenti due saranno in forma di domanda teorica. Verranno valutate: la capacità di impostare correttamente la risoluzione del problema chiarendo quali equazioni vengono utilizzate e perché, e la capacità di elaborazione quantitativa che consente di arrivare al risultato corretto, di cui devono essere specificate le unità di misura.
La prova relativa alla parte di tecnologie è invece composta da domande a risposta chiusa (vero o falso) e da uno schema di funzionamento di un fenomeno o dispositivo descritto a lezione.
Nelle lezioni finali del corso è prevista una prova in itinere per la parte di tecnologie.
L'esito della valutazione verrà comunicata attraverso il sistema informatico dell'Ateneo.
FIS/07 - FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) - CFU: 9
Esercitazioni: 24 ore
Lezioni: 60 ore
Lezioni: 60 ore
Docente:
Bellini Tommaso Giovanni
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento