FISICA II E LABORATORIO

Il taglio di questo corso è di tipo fenomenologico & 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 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 per le attività sperimentali in Laboratorio - è OBBLIGATORIA (riferirsi al Regolamento Didattico 2026-2027 del CORSO di LAUREA in Chimica Sostenibile per l'Industria, l'Ambiente e l'Energia" CLASSE - Scienze e tecnologie chimiche). 

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

LABORATORIO (4 CFU):

A. METROLOGIA & TEORIA degli ERRORI

A.1 METROLOGIA

Il Metodo Scientifico o Sperimentale di G. Galilei. Definizione operativa di grandezze fisiche. Misurazione di grandezze fisiche in modalità diretta e indiretta, grandezze fondamentali e derivate. Misurazione diretta di grandezze fisiche fondamentali: la Lunghezza e il metro, il Tempo e il secondo, la Massa e il kg. La grandezza Area. Analisi dimensionale e grandezze adimensionali (l'Angolo). Sistemi di Unità di Misura e il Sistema Internazionale. La notazione scientifica e le potenze di 10. Cifre significative e regole di arrotondamento. Organizzazione dei risultati di una misurazione: a) rappresentazione tabulare (tabelle statistiche e tabelle funzionali), b) rappresentazione grafica: grafici xy (scelta della scala, uso carta millimetrata, scala logaritmica e semi-logaritmica); istogrammi (di densità e di frequenza) e loro uso, c) rappresentazione analitica: legge fisica e campo di definizione.

A2. ELEMENTI di TEORIA degli ERRORI

Incertezza o errore di una misura, rappresentazione in notazione scientifica, rappresentazione grafica. Sorgenti di errore. Errore assoluto ed errore relativo, accuratezza e precisione di una misura. Errori casuali ed errori sistematici. Propagazione degli errori sistematici e regole di propagazione: somma/differenza, prodotto/quoziente, prodotto per una costante, potenza e logaritmo. Introduzione all'analisi o indagine statistica di dati. Popolazione, unità e campione statistico. Variabile casuale e indici statistici di tendenza centrale, dispersione e forma. Media di una popolazione e di un campione; media ponderata. Campo di variazione, scarto, scarto assoluto, varianza, deviazione, scarto quadratico medio. Covarianza e correlazione, indice di correlazione (coefficiente di Pearson), correlazioni spurie. Il rigetto dei dati e il criterio di Chauvenet. Propagazione degli errori statistici e regole di propagazione: somma/differenza, prodotto/quoziente, prodotto per una costante, potenza e logaritmo. Il problema di combinare misure separate: pesi, media pesata ed errore sulla media pesata. La procedura di interpolazione e criteri per la scelta della curva di interpolazione; interpolazione lineare, polinamiale cubica, seno cardinale; l'interpolazione statistica: il Metodo dei Minimi Quadrato o "best-fit", incertezza sulla misura della variabile dipendente, indeterminazione dei coefficienti A e B e delle loro incertezze. Introduzione alle distribuzioni di probabilità; distribuzione normale o di Gauss e sua applicazione a misure ripetute di grandezze fisiche affette da errori casuali; la distribuzione di Gauss standardizzata; funzione di densità e limiti di confidenza e sua applicazione ai dati sperimentali. Inferenza statistica e test di verifica di ipotesi: introduzione e definizioni; il test del Chi-quadro e applicazione ai dati sperimentali; il test Chi-quadro ridotto e gradi di libertà; probabilità della funzione Chi-quadro ridotto e limiti di significatività, uso della Tabella delle probabilità.  

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, all’Ottica geometrica e ondulatoria.

C. ESPERIENZE DI LABORATORIO:

MECCANICA 

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

ELETTROMAGNETISMO

• misurazione di resistenze con il Metodo Volt-Amperometrico
• misurazione di resistenze con il Ponte di Wheatstone;
• misurazione di resistenze di alto valore con circuito RC e analisi della carica/scarica di un condensatore; 

OTTICA

• misurazione della distanza focale di una lente convergente;
• verifica della legge di Malus e misurazione della concentrazione di una soluzione zuccherina;

NOTA: un'attività sperimentale, dedicata all'applicazione di fenomeni di Fisica 2 alla Chimica Sostenibile all'Industria, l'Ambiente e l'Energia, potrebbe essere inclusa, in aggiunta o in sostituzione, alla lista delle esperienze di Fisica classica sopra elencate.

FISICA 2 (5 CFU):

1. ELETTROSTATICA 

Introduzione. La carica elettrica e il Coulomb. Serie triboelettrica. Conduttori, isolanti e semi-conduttori. Induzione elettrostatica per i conduttori. Polarizzazione per gli isolanti. La Legge di Coulomb. Forza di Coulomb per un sistema di cariche e Principio di Sovrapposizione. Concetto di Campo di Forze. Il Campo elettrostatico nel vuoto. Campo elettrico generato da una carica puntiforme. Linee di Forza. Campo elettrico generato da un sistema discreto di cariche. Dipolo elettrico, campo elettrico generato dal dipolo, momento di dipolo. Campo elettrico generato da un sistema continuo di carica. Densità di carica lineare, superficiale e volumetrica. Campo elettrico generato da una sbarretta carica. Moto di particelle cariche in campo elettrico uniforme. Concetto di Flusso di un campo di forze. Flusso del Campo Elettrico. La Legge di Gauss. Calcolo di E con il Teorema di Gauss in casi notevoli: carica puntiforme, lamina piana carica, due piani paralleli carichi. Carattere conservativo del campo elettrostatico, lavoro elettrostatico ed energia potenziale. Il Potenziale elettrico, il Volt e l'eV. Differenza di potenziale (d.d.p.) e variazione di energia potenziale per una carica in campo elettrico uniforme. Potenziale elettrico per carica puntiforme e sistema discreto di cariche. Conduttori in equilibrio elettrostatico e proprietà. Potenziale elettrico di un conduttore carico, di un conduttore sferico, di un conduttore generico e il "potere delle punte". Cavità in un conduttore carico e la Gabbia di Faraday.

2. CORRENTI ELETTRICHE STAZIONARIE

Cariche in movimento e corrente elettrica, intensità di corrente e l'Ampere. Corrente continua e corrente alternata. La Legge di Ohm. Resistori, resistività e resistenza elettrica. Potenza dissipata da una resistenza. Resistenze in serie e in parallelo. Generatori di forza elettromotrice o d.d.p.. Le Leggi di Kirchhoff dei circuiti: I Legge o legge dei nodi, II Legge o legge delle maglie. Misure di corrente con amperometri e misure di tensione con voltmetri. Analisi di circuiti semplici. Condensatori e capacità. Condensatori a facce piane parallele. Condensatore collegato ad una batteria. Energia elettrostatica di un condensatore carico. Condensatori in serie e in parallelo. Cenni di condensatori con dielettrico. Circuiti RC in regime transiente, costante o tempo caratteristico, analisi della corrente e della carica nelle fasi di carica/scarica.

3. MAGNETOSTATICA
Introduzione al Magnetismo: materiali magnetici, poli magnetici e aghi magnetici, il campo magnetico terrestre, unità di misura del campo magnetico, gli esperimenti di Oersted e Ampere. Linee di forza e flusso del campo magnetico. La Forza di Lorentz: proprietà, lavoro e confronto con forza elettrica. Moti di particella carica in campo magnetico. II Legge elementare di Laplace; casi notevoli: forza magnetica su conduttore percorso da corrente. Spira magnetica, momento magnetico di dipolo e unità di misura. Principio di equivalenza di Ampere. I Legge elementare di Laplace e Legge di Ampere-Laplace; caso notevole del filo rettilineo finito. Legge di Biot-Savart. Forza magnetica tra fili conduttori percorsi da corrente. La Legge di Ampere e le correnti concatenate; casi notevoli.

4. CAMPI ELETTROMAGNETICI

Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La Legge di Faraday, la forza e.m. indotta, la corrente indotta e il campo e.m. indotto. La Legge di Lenz. ll fenomeno dell'auto-induzione e la f.e.m. di auto-induzione. Induttori e induttanze. Analisi del circuito RL: extra-corrente di apertura e di chiusura; energia associata. L'energia magnetica e la densità di energia del campo magnetico. La Legge di Ampere-Maxwell: densità di corrente di spostamento e corrente di spostamento. Le Leggi fondamentali dell'Elettromagnetismo nel vuoto e in assenza di sorgenti: le  Equazioni di Maxwell. 

5. OTTICA GEOMETRICA e ONDULATORIA

La luce e la sua natura, dualismo onda-particella. Onde elettromagnetiche e spettro elettromagnetico: lo spettro "visibile" e la visione dei colori, la luce "bianca"; frequenza, lunghezza d'onda e velocità della luce, indice di rifrazione nel vuoto e nei mezzi. Ottica geometrica e Ottica Fisica. Il fenomeno della Riflessione, Riflessione totale. Il fenomeno della Rifrazione; la legge di Snell, l'angolo limite. Il fenomeno della Dispersione e il prisma ottico, angolo di deflessione, il vetro Crown. Sistemi Ottici. Diottri: definizioni, proprietà e convenzioni, diottri concavi e convessi. Le lenti: definizioni e proprietà, classificazione delle lenti, lente spessa, lente sottile e legge dei punti coniugati o equazione delle lenti; lente convergente; fuoco, costruzione dell'immagine, potere convergente o diottria, ingrandimento. Cenni di Ottica ondulatoria: polarizzazione della luce e parametri caratteristici, metodi di polarizzazione della luce: la polarizzazione per dicroismo, i polarizzatori, la legge di Malus.

1. S. Focardi, I.G. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa: "Fisica Generale - Elettromagnetismo" II Edizione (2021), Casa Editrice Ambrosiana (distribuzione Zanichelli); Testo di riferimento per il Modulo di FISICA 2 (Elettromagnetismo);
2. S. Focardi, I.G. Massa, A. Uguzzoni: "Fisica Generale - Onde e Ottica" II Edizione (2010), Casa Editrice Ambrosiana (distribuzione Zanichelli); Testo di riferimento per il Modulo di FISICA 2 (Ottica);
3. J. Taylor "Introduzione all'analisi degli errori. Lo studio delle incertezze nelle misure fisiche", ed. Zanichelli - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio ("Teoria degli Errori") 
4. A. Insolia, F. Riggi: "Laboratorio di Fisica", ed. CULC, Catania - Testo di riferimento per il Modulo di Laboratorio ("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 2 ore) consistente nella soluzione di alcuni semplici esercizi relativi ad argomenti trattati nella parte del corso riguardante la FISICA 2. La Prova Scritta pre-selettiva si intende superata se verrà svolto correttamente almeno il 50% degli esercizi, dando diritto all'idoneità (senza votazione), cioè al passaggio alle Prove Pratica e Orale. In caso di acquisita idoneità. A seguire la Prova Scritta, nello stesso giorno, gli studenti eseguiranno una Prova Pratica di laboratorio, su un tema sperimentale selezionato a sorteggio quelli svolti in Laboratorio durante il corso. Gli studenti avranno 3 ore di tempo per l'acquisizione dei dati da utilizzare per la redazione di una relazione scientifica scritta (Tesina) da presentare all'atto della Prova Orale da svolgersi in data successiva. La Prova Orale verterà su argomenti sia di FISICA 2 che teorici di introduzione al LABORATORIO, con particolare riguardo all'analisi dei dati raccolti durante la Prova Pratica e alla discussione orale della Tesina. La Prova Orale dovrà svolgersi ENTRO e NON OLTRE 15 giorni al massimo dalla Prova scritta & Prova Pratica, in date che saranno concordate in occasione della Prova Scritta & Pratica.

Per le date di Appelli di esame 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?sessione=3&aa=127

In totale sono programmati 10 appelli nell'A.A. 2026-2027 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 riportati in programma. 

Le domande di seguito presentate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano soltanto degli esempi.

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

1) scrivere e commentare l'equazione della Legge di Coulomb, indicando 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.