Anno: 2 Periodo: l Lezioni, esercitazioni, laboratori: 6+2+2(ore sellimanali) Docente: Enrica Mezzetti Minetti (collab.: G. Castagno)
Scopo dei corsi di fisica è quello di dare una visione coerente ed unificata dei fenomeni fisici e dei metodi che ne permettono lo studio. Nella prima parte del corso di Fisica2 vengono trattati le interazioni elettromagnetiche analizzate in termini di campi. Sono discusse le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo (nel vuoto e nella materia) che si compendiano nelle equazioni di Maxwell. Particolare rilievo è dato allo studio delle onde elettromagnetiche, come estensione delle equazioni di Maxwell e dei fenomeni ondulatori, quali interferenza, diffrazione e polarizzazione. Nella seconda parte del corso viene fornita una breve introduzione alla meccanica quantistica, base per lo studio della struttura della materia.
Nell'ultima parte vengono analizzati i concetti base della termodinamica classica con alcuni cenni di termodinamica statistica.
PROGRAMMA
Elellrostatica nel vuoto e nella materia Isolanti e conduttori, costante dielettrica. [6 ore]
Corrente, resistenza. forza elellromotrice
Corrente elettrica, resistenza, densità di corrente, resistività. Conduttori ohmici, legge di Ohm. Interpretazione microscopica della legge di Ohm (cenni). Generatori ideali e reali di tensione. Generatore di van de Graaf. Bilancio energetico nei circuiti. Circuito Re. Misura di resistenze (laboratorio). [6 ore]
Campo magnetico
Forze magnetiche su cariche in moto e su correnti. Definizione del vettore B. Effetto Hall.
Forze magnetiche sui circuiti, momento di dipolo magnetico. Moto di cariche in campo magnetico. Ciclotrone. [4 ore]
Legge di Ampère: campo magnetico di circuiti percorsi da corrente. Dipoli elettrici e magnetici: analogie, differenze. Forze fra conduttori. Definizione dell'ampere. [4 ore]
Legge di Faraday: FEM indotta da campi magnetici variabili nel tempo. Considerazioni energetiche. Calcolo del campo elettrico indotto da campi magnetici variabili. Betatrone.
Auto- e mutua induzione. Autoinduttanza di avvolgimenti toroidali e solenoidali. Circuito LR.
Energia del campo magnetico. Circuiti LC ed RLC: analogie meccaniche, considerazioni energetiche, risonanza (laboratorio). Corrente di spostamento ed equazioni di Maxwell. [6 ore]
Proprietà magnetiche dei materiali
Magneti permanenti, correnti di magnetizzazione. Sostanze dia-, para-, ferro-magnetiche.
Legge di Curie. Legge di Gauss per il magnetismo. VettoreH.Legge di Ampère in presenza di mezzi materiali. Risonanza magnetica nucleare. [4 ore]
Onde elellromagnetiche
Equazioni di Maxwell in forma integrale e differenziale. Equazione dell'onda elettromagnetica.
Onda piana: relazioni fra i vettori E, B,H. Energia dell'onda e vettore di Poynting. Quantità di moto dell'onda, pressione di radiazione. Antenne a dipolo elettrico (trasmittenti e riceventi). Lo spettro elettromagnetico. Luce. [8 ore]
- Onde elettromagnetiche luminose
Riflessione e rifrazione: relazioni di Fresnel. Dispersione della luce principio di Huygens.
Superfici d'onda e raggi. [2 ore]
Interferenza: esperimento di Young; coerenza, tempo di coerenza. Pellicole sottili, rivestimenti antiriflettenti. Diffrazione: fenomeni di Fresnel e Fraunhofer. Potere separatore degli strumenti ottici (macchina fotografica, occhio umano, telescopio). Interferenza con più sorgenti. Reticoli di diffrazione. Diffrazione dei raggi X, legge di Bragg. [IO ore]
Polarizzazione della luce mediante riflessione, dicroismo, doppia rifrazione e diffusione.
Misure in luce polarizzata (laboratorio). [4 ore]
- /nterazìone radiazione elettromagnetica con la materia
Descrizione effetto fotoelettrico ed effetto Compton: onde e corpuscoli. Relazioni energia -frequenza ed impulso. Vettore d'onda. Quantizzazione livelli energetici. Emissione della luce spontanea e indotta: laser. [4ore]
- Temperatura e calore
Equilibrio termico, principio zero. Temperatura, termometro a gas rarefatto. Punti fissi, punto triplo. Quantità di calore, calori specifici, legge di Dulong e Petit. Equivalente meccanico della caloria. Primo principio. Conduzione del calore in regime stazionario e non. Misura della diffusità termica (laboratorio). [4ore]
- Teoria cinetica
Gas perfetto: definizioni macroscopica e microscopica. Calcolo della pressione. Inter-pretazione cinetica della temperatura. Equazione dell'adiabatica reversibile. Principio di equipartizione dell'energia, calori specifici di gas e solidi. [4 ore]
- Secondo principio della termodinamica
Processi reversibili ed irreversibili. Ciclo di Carnot per il gas perfetto. Macchine termiche e frigorifere. Teorema di Carnot. Secondo principio. Scala termodinamica assoluta delle tem-perature. Entropia: definizione, calcolo. Entropia e secondo principio, aumento di entropia nei processi naturali. Principali trasformazioni irreversibili, espansione senza lavoro esterno. Elementi di meccanica statistica e interpretazione statistica dell'entropia. [6 ore]
- Meccanica quantistica
Cenni di meccanica quantistica e calori specifici alle basse temperature. [4 ore]
LABORATORIO
I. Misura di resistenza mediante ponte di Wheastone e misura di temperatura con sensore PTIOO.
2. Studio delle oscillazioni forzate in un circuito RLC mediante uso di oscilloscopio e generatore di segnali, e simulazioni al calcolatore di transitori in circuiti RC e RLC.
3. Misura di lunghezza d'onda della luce mediante reticolo di diffrazione, uso di polarizzatori, verifica della legge di Malus, misura dell'angolo di Brewster con sensore a fotodiodo.
4. Misura della diffusività termica di un provino metallico.
BIBLIOGRAFIA Testi di riferimento:
B. Minetti, A. Pasquarelli,Calore e termodinamica,Levrotto & Bella, Torino.
U. Amaldi, Bizzarri, Fisica generale. Elettromagnetismo, relatività, ottica, Zanichelli.
Testi. ausiliari:
A. Tartaglia, Esercizi svolti di elettromagnetismo e ottica, Levrotto & Bella, Torino.
P. Mazzoldi, N. Nigro,C.Voci, Fisica. VoI. 2. EDISES, Napoli.
ESAME
L'esame consta di una prova scritta seguita da una prova orale, entrambe da effettuarsi nella stessa sessione, non necessariamente nello stesso appello. Lo scritto ha la durata di 2 ore, e consiste in una serie di problemi e/o quesiti sugli argomenti trattati nel corso e sulle esperienze di laboratorio. Il massimo voto ottenibile dall'esame è condizionato dal voto dello scritto. Il peso massimo che la prova scritta può avere sulla valutazione finaleè di 50/100.
Alla fine del primo semestre gli studenti possono sostenere una prova scritta comprendente problemi e/o quesiti. Questa prova scritta, se superata con almeno 15/30, dà diritto agli studenti a essere esonerati dallo scritto d'esame per l'intero AA.
P1902 Fisica generale 2
Anno: 2 Periodo: I Lezioni, esercitazioni, laboratori: 6+2+2 (ore sellùnanali) Docente: Laura Trassi (collab.: E. Tresso)
Scopo dei corsi di fisica è quello di dare una visione coerente ed unificata dei fenomeni fisici e dei metodi che ne permettono lo studio. Nella prima parte del corso vengono trattate le interazioni elettromagnetiche analizzate in termini di campi. Sono discusse le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo (nel vuoto e nella materia) che si compendiano nelle equazioni di Maxwell. Particolare rilievo è dato allo studio dell'onda elettromagnetica, come estensione delle equazioni di Maxwell e dei fenomeni ondulatori, quali interferenza, diffrazione e polarizzazione. Viene fornita una breve introduzione alla meccanica quantistica, base per lo studio della struttura della materia. Sono analizzati i concetti base della termodinamica classica con alcuni cenni di termodinamica statistica.
REQUISITI
Conoscenza degli argomenti trattati nel corso di Fisica J.
PROGRAMMA
Campo elettrostatico in un dielettrico[6ore]
Trattazione macroscopica dei dielettrici isotropi. Trattazione microscopica: polarizzabilità elettronica di un gas. Polarizzabilità dei solidi: suscettività dielettrica come tensore.
Condizioni al contorno per i vettori campo elettrico e spostamento elettrico.
Correnti e/ellriche in regime stazionario [2 ore]
Legge di Ohm. Effetto Joule - Forza elettromotrice. Interpretazione microscopica della conduzione dei metalli.
Campo magnetico statico.[8 ore]
La forza di Lorentz. Moto di cariche in campi magnetici. Ciclotrone, spettrometro di massa, effetto Hall, esperimento di Thomson. Forze magnetiche su correnti. - Galvanometro.
Campi magnetici generati da correnti stazionarie. Legge della circuitazione di Ampère.
Proprietà magnetiche dei materiali.[4 ore]
Analogia tra dipoli elettrici e magnetici. Magnetizzazione. Descrizione macroscopica sostanze dia-para-ferromagnetiche.
Fenomeni induttivi:[4 ore]
Legge di Faraday - Lenz - Henry. Betatrone. Principio di conservazione della carica. Equazione di Ampère - Maxwell. Autoinduzione - Energia campo magnetico (circuito RL).Oscillazioni libere. (circuito LC), oscillazioni (circuito RLC) libere e forzate. Reattanza e impedenza ricavate con metodo simbolico. Mutua induzione; Trasformatore.
Onde[2 ore]
Descrizione del moto ondulatorio, propagazione dell'onda in una corda.
Onde lellromagnetiche. [IOore]
Equazioni di Maxwell, onde elettromagnetiche. Energia, intensità quantità di moto dell'onda E.M. Teorema di Poynting. Velocità di gruppo- Effetto Doppler. Spettro elettromagnetico. La
luce. Interazione onda Elettromagnetica con la materia. Spettro di corpo nero, ipotesi di Plank.Quantizzazione dell'energia elettromagnetica: l'effetto fotoelettrico. Aspetto corpuscolare della radiazione elettromagnetica: l'effetto Compton. Propagazione onde elettromagnetiche nella materia: dispersione (indice di rifrazione e costante dielettrica).
Ottica ondulatoria.[8 ore]
Interferenza di onde prodotte da 2 sorgenti. Coerenza. Interferenza da N sorgenti coerenti, da lamine. Onde stazionarie. Diffrazione: fenomeni di Fraunhofer da una fenditura. Potere risolutore. Reticolo di diffrazione e calcolo del suo potere risolutore. Diffrazione da cristalli, di raggi X.Polarizzazione della luce. Sostanze dicroiche. angolo di Brewster, attività ottica.
Onda E.M. in mezzi anisotropi. Elissoide di Fresnel, lamimi birifrangente.
- Struttura della materia.[IO ore]
Proprietà ondulatorie della materia: diffrazione di elettroni. Relazione di de Broglie, Funzione d'onda. Equazione d'onda. Equazione di Schrodinger. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Livelli energetici di una particella carica in un potenziale. "a scatola". Principio di funzionamento del laser.
Termodinamica[12 ore]
Definizione operativa di temperatura, termometro a gas. definizione quantità di calore, calorimetro di Bunsen. Trasformazioni termodinamiche., capacità termiche. Equivalente meccanico delle caloria. Lavoro- Calore. IO principio della T. Gas perfetti: equazione di stato, equazione isoterma e adiabatica. Teoria cinetica dei gas. 20 Principio Termodinamica. Ciclo di Carnot. Teorema di Camo!. Scala termodinamica della temperatura. Teorema di Clausius.
Entropia.
Termodinamica statistica [4 ore]
Entropia e Probabilità. Ripartizione statistica di Boltzmann. Distribuzione delle velocità.
Funzione di partizione.
LABORATORIO
l.Misura di resistenza con ponte di Wheatstone e di temperatura con sensore PTIOO;
2. studio delle oscillazioni forzate in un circuito RLC mediante uso di oscilloscopio e generatore di segnali, e simulazioni al calcolatore di transitori in circuiti RC e RLC;
3) misura di lunghezza d'onda della luce mediante reticolo di diffrazione e misura di indice di rifrazione mediante luce polarizzata e angolo di Brewster (con rivelatore a fotodiodo);
4. misura della diffusività termica di un provino metallico.
BIBLIOGRAFIA Testi di riferimento:
P. Mazzoldi, M. Nigro,C. Voci Fisica VoI. II.
P. Mazzoldi, M. Nigro,C. Voci Fisica termodinalllica
M. Alonso, E.J.Finn, Elementi di fisica per l'università. VoI. Il, Masson, Milano.
Testi ausiliari:
R. Resnick, D. Halliday, Fisica /, Ed. Ambrosiana, Milano (per la parte di termodinamica) Halliday, Resnick, Kranem, Fisica Il, Ed. Ambrosiana, Milano
Amaldi, Bizzarri, Pizzella, Fisica generale, Zanichelli.
ESAME
a) L'esame consta di una prova orale, che si svolge dopo che il docente ha acquisito vari elementi di giudizio sullo studente, fra cui l'esito di una prova scritta e le relazioni di laboratorio. '
b) Lo scritto consta di norma di tre esercizi che ricoprono tutto l'arco della materia sviluppata nelle esercitazioni.
c) L'esame (orale) può essere sostenuto in qualunque appello a partire da quello in cui si è svolto lo scritto stesso, purchè entro l'anno solare. Superato tale tempo senza aver sostenuto l'orale con esito favorevole lo scritto deve essere comunque ripetuto.
d) La prova scritta rimane valida, nei limiti di tempo di cui al punto precedente, anche nel caso in cui la prova orale non venga superata.
e) Lo studente che intende sostenere l'orale deve prenotarsi facendo uso del calcolatore presso il Dipartimento di Fisica entro il giorno precedente quello dello scritto. Non occorre prenotarsi per lo scritto.
f) Lo statino deve essere presentato all'atto di sostenere l'esame orale.