FISICA II E LABORATORIO

Il taglio di questo corso è di tipo teorico-fenomenologico e sperimentale e ha come obiettivo formativo specifico la comprensione dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Lo studio di fenomeni di Elettromagnetismo e Ottica in Fisica Classica e l’esecuzione di semplici esperimenti permetteranno agli studenti di acquisire la capacità di analizzare dati sperimentali e di produrre una relazione scientifica. Saranno in tal modo sviluppate le loro abilità comunicative sia orali che in forma scritta. Inoltre il corso fornirà agli studenti strumenti e strategie mirate al "problem solving".

In riferimento ai Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le competenze trasversali riportate nel seguito.

Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge & Understanding):

• capacità di ragionamento induttivo e deduttivo;

• capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali;

• capacità di impostare un problema, utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici;

• capacità di allestire e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali e di utilizzare strumentazione scientifica per misure meccaniche,  elettromagnetiche e ottiche;

• capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying Knowledge & Understanding):

• capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico;

• capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti in tutte le aree di interesse della fisica, incluse quelle con applicazioni tecnologiche;

Autonomia di giudizio (Making Judgements):

• capacità di ragionamento critico;

• capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali;

• capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate;

Abilità comunicative (Communication Skills):

• capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati;

Capacità di apprendimento (Learning Skills):

• capacità di saper ampliare le proprie conoscenze attraverso la ricerca bibliografica e la lettura e comprensione di testi scientifici.

NOTA BENE

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: a garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi al docente referente CInAP (Centro per l'Integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Chimiche.

Corso di 9 CFU = 87 ore: 6 CFU (42 ore) FISICA 2 + 3 CFU (45 ore) LABORATORIO 

erogato al II semestre del I anno così ripartiti:

• FISICA 2: lezioni frontali per 6 CFU = 42 ore (1 CFU = 7 ore) i.e. 21 lezioni da 2 ore;
• LABORATORIO: 3 CFU = 45 ore (1 CFU = 15 ore) di cui 2 CFU (30 ore) dedicate ad attività sperimentale in Laboratorio e 1 CFU (15 ore) di Esercitazioni in aula o Laboratorio dedicate alla spiegazione e preparazione delle attività sperimentali, all'apprendimento dell'uso della strumentazione alla spiegazione dei contenuti di Teoria degli Errori, necessari per effettuare l'analisi dei dati sperimentali, e all'addestramento alla stesura della Tesina scientifica da produrre a valle della Prova Pratica finale. 

La frequenza del corso - sia per le Lezioni frontali che di Esercitazioni in aula e le attività sperimentali in Laboratorio - è OBBLIGATORIA (riferirsi al Regolamento Didattico del CORSO di LAUREA in Chimica Sostenibile per l'Industria, l'Ambiente e l'Energia" CLASSE - Scienze e tecnologie chimiche - L27 COORTE 2025-2027). 

La frequenza sarà accertata dal docente con appello giornaliero, sia per ogni Lezione frontale che per ogni Esercitazione in aula e ogni attività in Laboratorio.

LABORATORIO (3 CFU):

A. ELEMENTI di TEORIA degli ERRORI

Incertezza di una misura. Sorgenti di errore. Stima dell’incertezza nella lettura di scale. Errori casuali ed errori sistematici. Precisione ed accuratezza di una misura. Errore assoluto ed errore relativo. Propagazione degli errori nelle misure indirette e regole di propagazione. Rappresentazione dei dati sperimentali in tabelle e grafici. Istogrammi di frequenza. Distribuzione di probabilità di Gauss. Analisi statistica di un set di misure: media e deviazione standard, errore sulla media; media pesata e suo errore. Il rigetto dei dati. Indice di correlazione e di co-varianza. Best-fit lineare e sua incertezza. Test del Chi-quadrato. 

B. INTRODUZIONE agli ESPERIMENTI

Uso degli strumenti di misura e loro sensibilità. Spiegazione degli esperimenti da eseguire in Laboratorio per la misura di grandezze fisiche legate alla meccanica classica, all’elettromagnetismo e all’ottica geometrica e ondulatoria.

C. ESPERIENZE DI LABORATORIO:

MECCANICA 

• misura della costante elastica di una molla;
• misura dell'accelerazione di gravità con il pendolo semplice;
• misura della coefficiente di viscosità della glicerina;

ELETTROMAGNETISMO

• misure di resistenze con il Ponte di Wheatstone;
• misure di I e V in un circuito RC e analisi della carica/scarica di un condensatore; 
• misura del rapporto e/m mediante deflessione magnetica; 

OTTICA

• misura della distanza focale di una lente convergente;
• misura della potere rotatorio e verifica della Legge di Malus;

NOTA: un paio di attività sperimentali, dedicate all'applicazione di fenomeni di Fisica 2 alla sostenibilità in campo dell'Industria, dell'Ambiente o dell'Energia, potranno essere inserite, in aggiunta o in sostituzione, alla lista delle esperienze classiche sopra elencate.

FISICA 2 (6 CFU):

1. ELETTROSTATICA 

Introduzione. Forze elettrostatiche. Induzione elettrostatica. La carica elettrica. La Legge di Coulomb. Campo elettrostatico nel vuoto. La Legge di Gauss. Calcolo del campo elettrostatico per distribuzioni discrete e continue di carica in casi notevoli. Moto di particelle in campi elettrostatici. Lavoro elettrico. Carattere conservativo del campo elettrostatico. Calcolo del potenziale elettrostatico in casi notevoli. Superfici equi-potenziali e linee di forza. Energia potenziale del campo elettrostatico. Il dipolo elettrico e momento di dipolo La I e la II equazione di Maxwell per il campo elettrostatico. Campo elettrostatico nei conduttori. Potenziale e capacità dei conduttori. Condensatori, energia elettrostatica di un condensatore carico. Cenni di condensatori con dielettrico.

2. CORRENTI ELETTRICHE STAZIONARIE

Intensità di corrente. Conservazione della carica elettrica. La Legge di Ohm. Resistività, resistori e resistenze elettriche. Generatori di forza elettromotrice. Le Leggi di Kirchhoff dei circuiti. Misure di corrente, tensione e resistenza. Circuiti RC in regime transiente, costante di carica/scarica. 

3. MAGNETOSTATICA

Il magnetismo. Gli esperimenti di Oersted e Ampere. Forza di Lorentz e campo magnetico. Moto di particelle cariche in campi magnetici. Campo magnetico prodotto da correnti stazionarie. Forze magnetiche su circuiti percorsi da corrente. Le sorgenti del campo induzione magnetica B e la sua divergenza. La Legge di Ampere e il rotore di B. Campo magnetico prodotto da una carica in moto. Equivalenza fra spire e aghi magnetici. Proprietà magnetiche della materia. 

4. CAMPI ELETTROMAGNETICI

La Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Mutua induzione e auto-induzione. Induttori e induttanze in serie e in parallelo, circuito RL. Densità di energia del campo magnetico. Correnti alterate e circuiti RL e RCL. Le Equazioni di Maxwell nel vuoto. La scoperta delle onde elettromagnetiche. Equazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. Onde piane. Campi elettrici e magnetici nelle onde piane. Energia e impulso nei campi elettromagnetici. Irraggiamento di una carica oscillante e radiazione di dipolo. Lo spettro elettromagnetico.

5. OTTICA GEOMETRICA e ONDULATORIA

Riflessione e rifrazione della luce. Velocità della luce in un mezzo. Indice di rifrazione. Principio di Huygens-Fresnel. Angolo limite. Riflessione totale. Prisma. Coefficienti di Fresnel. Angolo di Brewster. Polarizzazione e Legge di Malus. Costruzione di immagini in ottica geometrica. Distanza focale. Ingrandimento. Lenti sottili. Equazione delle lenti. Potere convergente. 

Il fenomeno di Interferenza. Interferenza da due fenditure. Posizione di minimi e massimi di interferenza. Il fenomeno della Diffrazione. Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura rettilinea singola. 

6. ELEMENTI di FISICA 2 e APPLICAZIONI in SOSTENIBILITA' dell'INDUSTRIA, AMBIENTE ed ENERGIA

Cenni di applicazione dei principi della Fisica Generale 2, in particolare di elettromagnetismo ed onde, allo studio e alla risoluzione di problemi ambientali. Impatti fisici in Ambiente. Cenni di radioattività ambientale, radiazioni non ionizzanti (NIR) ed "elettrosmog", acustica, rumore e inquinamento acustico, inquinamento atmosferico. Fonti energetiche. La questione ambientale e l'approvvigionamento energetico. Interazione tra sistemi energetici e industriali e ambiente, impatto emissioni inquinanti e uso di impianti energetici e industriali.

1. Mazzoldi P., Nigro M.,Voci C.: "Elementi di Fisica - Elettromagnetismo" ed. EdiSES, Napoli - Testo di riferimento per il Modulo di FISICA 2
2. J. Taylor "Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche", ed. Zanichelli - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio (parte A "Teoria degli Errori") 
3. A. Insolia, F. Riggi: "Laboratorio di Fisica", ed. CULC, Catania - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio (parte B+C: "Esperimenti").

Materiale didattico aggiuntivo (appunti e dispense formulate dal docente), sarà fornito durante il corso dal docente.

Il giorno dell'Appello d'esame, gli studenti dovranno sostenere una Prova Scritta pre-selettiva (durata 1 ora) consistente nella soluzione di 4 semplici esercizi relativi ad argomenti trattati nella parte del corso riguardante la FISICA 2. La prova scritta pre-selettiva si intende superata se verranno svolti correttamente almeno 3 esercizi, dando diritto all'idoneità (senza votazione, ovvero "prova superata" o "prova non superata") cioè al passaggio alla Prova Orale. A seguire la Prova Scritta, nel giorno dell'Appello d'esame, gli studenti eseguiranno una Prova Pratica di laboratorio, selezionata a sorteggio tra tutte quelle svolte in Laboratorio durante il corso. Gli studenti avranno 2 ore di tempo per la presa dati da utilizzare per la redazione di una Relazione scientifica scritta (Tesina) da presentare, in caso di idoneità allo scritto, all'atto della Prova Orale. Gli studenti che avranno superato la Prova Scritta pre-selettiva, guadagnando l'idoneità, svolgeranno l'Esame Orale che verterà su argomenti sia di FISICA 2 che di LABORATORIO, con particolare riguardo all'analisi dei dati raccolti durante la Prova Pratica. L'Esame Orale e la discussione della Tesina di Laboratorio devono svolgersi ENTRO e NON OLTRE 15 giorni al massimo dalla Prova scritta & Prova Pratica, in date che saranno rese note il giorno dell'Appello d'Esame. Chi non produce la Tesina e non si presenta all'orale nei tempi prestabiliti, ripeterà l'intera procedura in uno degli appelli successivi. Il voto finale terrà conto delle valutazione della Tesina sulla Prova Pratica e dell'Esame Orale.

Per le date di Esame finale dell'insegnamento di "Fisica 2 e Laboratorio" si invitano gli studenti a consultare il Calendario di Esami del Corso di Laurea Triennale L27 in Chimica Sostenibile per l'Industria, l'Ambiente e l'Energia: 

https://www.dsc.unict.it/corsi/l-27-sost/esami

In totale sono programmati 10 appelli nell'A.A. 2025-2026 così distribuiti: 2 appelli in Prima Sessione, 2 appelli in Seconda Sessione, 2 appelli in Terza Sessione, 2 appelli straordinari in Sospensione Didattica (per studenti fuori corso, per laureandi, per studenti di all'art.27 del RDA e per gli studenti iscritti regolarmente ad anni successivi al primo per consentire loro di recuperare gli esami degli anni precedenti non ancora superati, ai sensi dell'art.16, comma 5 bis del RDA), 2 appelli straordinari per Fuori Corso (per studenti fuori corso, per laureandi, per studenti di cui all'art.27 del RDA).

Le domande e gli esercizi proposti agli esami si riferiranno esclusivamente ai contenuti effettivamente svolti durante le lezioni e presenti in programma. 

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano soltanto alcuni esempi.

Domande tipiche poste all'esame orale su argomenti irrinunciabili (Elettrostatica, Elettromagnetismo, Ottica):

1) scrivere e commentare l'equazione della Legge di Coulomb (nel vuoto e nella materia) indicando inoltre, per ogni variabile, il suo significato e la sua unità di misura;

2) cosa afferma la Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica? Precisare anche il significato fisico di ogni grandezza coinvolta e la relativa unità di misura;

3) spiegare il fenomeno della rifrazione in Ottica Geometrica e le sue leggi, facendo riferimento all'esperienza di laboratorio.