Physics A - L
Academic Year 2022/2023 - Teacher: FRANCESCO CAPPUZZELLOExpected Learning Outcomes
There will be lectures and application examples on specific topics.The wealth of knowledge provided to the student puts her/him in a position to deal with more specific courses of the curriculum; particular importance is given to the physical contribution in applications in the biomedical field presented in the program. After completing the course, the student will have learned the basics of the experimental method, the basic physical laws and will have got to know different applications of the same in fields related to the course of study.The formal correctness of the topics covered in the exposition is taken into particular consideration, in the context of mathematical knowledge acquired by students in previous courses. We pursue the following objectives: - knowledge and understanding about the foundations of physics - application knowledge about methodological and instrumental procedures also useful for biological research
Course Structure
Classroom lessons
Detailed Course Content
GENERAL PHYSICS
INTRODUCTION: Physical quantities. Units. Significant digits. Measurement error. Scalar and vector quantities. Operations with vectors. Components of a vector. Unit vectors.
KINEMATICS OF THE MATERIAL POINT: Material point. Vector position, displacement, average and instantaneous velocity and acceleration. Equation of motion.
THE DESCRIPTION OF MOTION: Motion with constant speed. Motion with constant acceleration. Parabolic motion. Uniform and non-uniform circular motion. General motion in two and three dimensions. Harmonic motion. Kinematic of relative motions. Composition laws for displacements, speeds and accelerations.
ELEMENTS OF DYNAMICS: The I principle of dynamics. Inertial reference systems and inertial mass. Force acting on a body. The II principle of dynamics. The III principle of dynamics. Momentum and theorem of momentum conservation. Isolated and non-isolated systems. Dynamic in non-inertial references and apparent forces.
EXAMPLES OF FORCES: Terrestrial gravity. Gravitational attraction. Static, dynamic and viscous friction forces. Elastic forces.
MATERIAL POINT DYNAMICS: Fundamental problem of material point dynamics. Motion of a point on an inclined plane. Motion of a point subject to elastic forces. Motion of a point in a viscous fluid and sedimentation. Speed of herythrocytes sedimentation (VES). Motion of a point subject to centripetal force. Speed of centrifugation of erythrocytes. Rotation dynamics. Momentum of a force. Angular momentum.
SYSTEMS OF MATERIAL POINTS: Internal forces and external forces. Cardinal equations of system dynamics. Center of mass theorem. Two-body system. Rigid body system.
STATIC OF MATERIAL BODIES: Statics of a material point. Static conditions of the rigid body. Levers. Examples of static of the human body (head, foot, arm, shoulder, trunk)
IMPULSE, WORK AND ENERGY: Impulse of a force. Impulse theorem. Work done by a force. Kinetic energy and kinetic energy theorem. Conservative forces. Potential energy. Examples of conservative and non-conservative forces. Mechanical energy conservation. Power and efficiency of a machine.
COLLISION DYNAMICS: Collisions. Impulsive forces and momentum conservation. Elastic and inelastic collisions.
ELASTICITY: Elastic body properties. Intermolecular forces. Deformations and intermolecular forces. Hooke law. Traction and compression. Volume deformation. Sliding deformation. Sliding and compressibility of bodies. Classification of solid, liquid and gaseous bodies.
SURFACE PHENOMENA: Cohesion and adhesion forces. Surface phenomena. Surface tension. Suspended bubbles. Meniscus. Capillarity phenomena. Pressure of a bubble or membrane. Law of Laplace. Balance of pulmonary alveoli. Gaseous embolism
FLUIDS: Viscosity of fluids. Real and ideal fluids. Statics of fluids. Pressure in fluids. Stevino's law. Pascal's law. Law of communicating vessels. Law of Archimedes. Barometer of Torricelli. Atmospheric pressure. Fluids dynamics. Stationary motion. Flow lines and tubes. Flow rate. Continuity theorem. Law of Leonardo. Bernoulli's theorem. Venturi tube. Torricelli's theorem. Laminar motion of a viscous fluid. Stokes's law. Poiseuille's law. Turbulent motion. Dynamics of blood circulation. Blood flow. Blood vessels. Stenosis and aneurysm. Pressure in blood vessels. Blood pressure measurement. Work and heart power. Blood viscosity anomalies.
WAVE DYNAMICS: Wave classifications. Vibrant rope. The wave equation. D'alembert's solution. Progressive and regressive waves. Sinusoidal waves. Energy carried by the wave. Overlap principle. Interference. Stationary waves. Elastic waves. Acustic waves. Distinctive characters of sounds. Sensitivity of the human ear. Accords. Sound intensity. Timbre. How the human ear works. External, medium and internal ear.
TEMPERATURE AND HEAT: Many-body systems. Thermal expansion of solids, liquids and gases. Thermal balance. Law of perfect gases. Thermometers and temperature scales. Specific heat, amount of heat and thermal capacity. Adiabatic processes. Latent heat and phase changes. Heat measurement. Reaction heat and calorific power. Heat transmission by conduction, convection and radiation.
IDEAL GASES: State of a gas. Perfect gases. Perfect gas status equation. Kinetic gas theory. Pressure and temperature of a gas.
THERMODYNAMIC SYSTEMS: Balance of a thermodynamic system. Reversible and irreversible transformations. Work by pressure forces work. Equivalence principle. The first principle of thermodynamics. Internal energy. Isobare, isocore, isotherm and adiabatic transformations. Perfect gas-specific heats. Hints of human metabolism.
ELECTRIC CHARGE, ELECTROSTATIC FIELD AND POTENTIAL: The electric charge. Conductors and insulants. The Coulomb's law. The electrostatic field. Force lines. Electrostatic potential and potential energy. Electrostatic capacity.
ELETTRIC CURRENT: Ohm's electrical current. Resistance and Ohm's laws, model for electrical conduction. Energy and electrical power.
MAGNETIC FIELDS: Motion of a particle charged in a magnetic field. Magnetic force on a conductor crossed by electic current. Magnetic field produced by a current. The law of Biot-Savart. The law of Faraday and induction. Energy density in a magnetic field
ELECTROMAGNETIC WAVES: Electromagnetic waves. Energy carried by electromagnetic waves. The spectrum of electromagnetic waves.
GEOMETRICAL OPTICS: Reflection, refraction and scattering of light. Total reflection. Optical fibers. Lenses and image formations.
BIOMEDICAL PHYSICS
HUMAN STATICS: Applying the laws of static to the human body. Static head, foot, arm, shoulder and torso.
ELASTIC WAVES: Applying wave mechanics to the functioning of the human ear. External, medium and internal ear.
SURFACE PHENOMENA: Application of Laplace's law to the balance of pulmonary alveoli.
FLUIDS MECHANICS: Hydrodynamic circuit of blood, work and heart power. Aneurysm and stenosis, gaseous embolism. Speed of erythrocyte sedimentation. Centrifuge.
ELECTRIC PHENOMENA: The propagation of nerve impulses in myelin and amielinic fibers.
ELECTROMAGNETIC WAVES AND RADIATION: Vision optics. Magnifying glass and optical microscope. Electromagnetic fields and effects on human health.
Textbook Information
- Slides from the Professor
- A. Lascialfari, F. Borsa, A. Gueli: Principi di Fisica per indirizzo biomedico e farmaceutico, EdiSES, 2020
- S. Rosati; Fisica generale volume 1, Feltrinelli, 1994
- Serway&Jewett: Fondamenti di Fisica, VI edizione, EdiSES, 2022
- E. Ragozzino: Principi di Fisica, EdiSES, 2006
- D. Sette, A. Alippi, A. Bettucci: Lezioni di Fisica 1 (Meccanica - Temodinamica), II edizione, 2021
Course Planning
| Subjects | Text References | |
|---|---|---|
| 1 | INTRODUZIONE: Grandezze fisiche. Unità di misura. Cifre significative. Errore di misura. Grandezze scalari e grandezze vettoriali. Operazioni con i vettori. Componenti di un vettore e versori. | Testo 1: File L1.pdf e L2.pdf |
| 2 | CINEMATICA DEL PUNTO MATERIALE: Punto materiale. Vettori posizione, spostamento, velocità e accelerazione media e istantanea. Legge oraria. | Testo 1: L3.pdf |
| 3 | LA DESCRIZIONE DEL MOTO: Moto con velocità costante. Moto con accelerazione costante. Moto parabolico. Moto circolare uniforme e non uniforme. Moto generale in due e tre dimensioni. Moto armonico. Cinematica dei moti relativi. Leggi di composizione delle velocità e delle accelerazioni. | Testo 1: File: L3.pdf |
| 4 | ELEMENTI DI DINAMICA: I Principio della dinamica. Sistemi di riferimento inerziali e massa inerziale. Forza agente su un corpo. II Principio della dinamica. III Principio della dinamica. Quantità di moto e teorema di conservazione della quantità di moto. Sistemi isolati e non isolati. Dinamica in riferimenti non inerziali e forze apparenti. | Testo 1: File: L4.pdf |
| 5 | ESEMPI DI FORZE: Forza di gravità terrestre. Forza di attrazione gravitazionale. Forze di attrito statico, dinamico e viscoso. Forze elastiche. | Testo 1: File: L5.pdf |
| 6 | DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE: Problema fondamentale della dinamica del punto materiale. Moto di un punto materiale su un piano inclinato. Moto di un punto materiale soggetto a forze elastiche. Moto di un punto materiale in un fluido viscoso e sedimentazione. Velocità di Eritrosedimentazione (VES). Moto di un punto materiale soggetto a forza centripeta. Velocità di centrifugazione degli eritrociti. Dinamica di rotazione. Momento di una forza. Momento angolare | Testo 1: File: L6.pdf |
| 7 | DINAMICA DEI SISTEMI DI PUNTI MATERIALI: Forze interne e forze esterne. Equazioni cardinali della dinamica dei sistemi. Teorema del centro di massa. Sistema dei due corpi. Sistema del corpo rigido | Testo 1: File: L7.pdf |
| 8 | STATICA DEI SISTEMI DI PUNTI MATERIALI: Condizioni statiche. Statica del corpo rigido. Leve. Esempi di statica del corpo umano (testa, piede, braccio, spalla, tronco). | Testo 1: File: L7.pdf |
| 9 | IMPULSO, LAVORO ED ENERGIA: Impulso di una forza. Teorema dell'impulso. Lavoro svolto da una forza. Energia cinetica e teorema dell’energia cinetica. Forze conservative. Energia potenziale. Esempi di forze conservative e non conservative. Conservazione dell’energia meccanica. Potenza e rendimento di una macchina. | Testo 1: File: L8.pdf |
| 10 | DINAMICA DELL'URTO: Urti. Forze impulsive e conservazione della quantità di moto. Urti elastici ed inelastici. | Testo 1: File: L9.pdf |
| 11 | ELASTICITA': Proprietà elastiche dei corpi. Forze intermolecolari. Deformazioni e forze intermolecolari. Legge di Hooke. Trazione e compressione. Deformazione di volume. Deformazione di scorrimento. Proprietà di scorrimento e compressibilità. Classificazione di corpi solidi, liquidi e gassosi. | Testo 1: File: L10.pdf |
| 12 | FENOMENI DI SUPERFICIE: Forze di coesione e adesione. Fenomeni di superficie. Tensione superficiale. Bolle in sospensione. Menisco, Fenomeni di capillarità. Pressione di una bolla o di una membrana. Legge di Laplace. Equilibrio degli alveoli polmonari. Embolia gassosa. | Testo 1: File: L12.pdf |
| 13 | FLUIDI: Viscosità dei fluidi. Fluidi reali e ideali. Statica dei fluidi. Pressione nei fluidi. Legge di Stevino. Legge di Pascal. Legge dei vasi comunicanti. Legge di Archimede. Barometro di Torricelli. Pressione atmosferica. | Testo 1: File: L11.pdf |
| 14 | FLUIDI: Dinamica dei fluidi. Moto stazionario. Linee e tubi di flusso. Teorema di continuità. Portata. Legge di Leonardo. Teorema di Bernoulli. Tubo di Venturi. Teorema di Torricelli. Moto laminare di un fluido viscoso. Legge di Stokes. Legge di Poiseuille. Moto turbolento. | Testo 1: File: L13.pdf |
| 15 | FLUIDI: Dinamica della circolazione sanguigna. Flusso sanguigno. Vasi sanguigni. Stenosi ed aneurisma. Pressione nei vasi sanguigni. Misura della pressione arteriosa. Lavoro e potenza cardiaca. Anomalie della viscosità del sangue. | Testo 1: File: L14.pdf |
| 16 | FENOMENI ONDULATORI: Classificazioni delle onde. Corda vibrante. Equazione dell'onda. Soluzione di D'alembert. Onde progressive e regressive. Onde sinusoidali. Energia trasportata dall'onda. Principio di sovrapposizione. Interferenza. Onde stazionarie. Onde elastiche. | Testo 1: File: L15.pdf |
| 17 | FENOMENI ONDULATORI: Onde sonore. Caratteri distintivi dei suoni. Sensibilità dell'orecchio umano. Accordi. Intensità sonora. Timbro. Funzionamento dell'orecchio umano. Orecchio esterno, medio e interno. | Testo 1: File: L16.pdf |
| 18 | TEMPERATURA, CALORE E PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA: Sistemi a molti corpi. Dilatazione termica di solidi, liquidi e gas. Equilibrio termico. Legge dei gas perfetti.Termometri e scale di temperatura. Calore specifico, quantità di calore e capacità termica. Processi adiabatici. Calore latente e cambiamenti di fase. Misura del calore. Calore di reazione e potere calorifero. Trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento. | Testo 1: File: L17.pdf |
| 19 | GAS IDEALI: Stato di un gas. Gas perfetti. Equazione di stato dei gas perfetti. Teoria cinetica dei gas. Pressione e temperatura di un gas. | Testo 1: File: L18.pdf |
| 20 | SISTEMI TERMODINAMICI: Equilibrio di un sistema termodinamico. Trasformazioni reversibili e irreversibili. Lavoro delle forze di pressione. Principio di equivalenza. Primo principio della termodinamica. Energia interna. Trasformazioni isobare, isocore, isoterme e adiabatiche. Calori specifici dei gas perfetti. Cenni di metabolismo umano. | Testo 1: File: L19.pdf |
| 21 | CARICA ELETTRICA, CAMPO E POTENZIALE ELETTROSTATICO: La carica elettrica, conduttori e isolanti, la Legge di Coulomb, il campo elettrostatico, linee di forza, moto di particelle cariche in un campo elettrico uniforme, teorema di Gauss | Testo 4: Cap. 19: pagg. 620-636, 636-644 parr. 19.1- 19.7, 19.8-19.10 (parr. 19.9-19.10: approfondimento) |
| 22 | CARICA ELETTRICA, CAMPO E POTENZIALE ELETTROSTATICO: il potenziale e l’energia potenziale elettrostatica, la capacità elettrostatica, densità di energia in un campo elettrico | Testo 4: Cap. 20: pagg. 657-661; 671-674 parr. 20.1- 20.3, 20.7 |
| 23 | CORRENTE ELETTRICA: la corrente elettrica, resistenza e legge di Ohm, modello per la conduzione elettrica, energia e potenza elettrica. La propagazione degli impulsi nervosi in fibre mieliniche e amieliniche | Testo 4: Cap. 21 pagg. 698-713 parr. 21.1-21.5 (par. 21.4 approfondimento). Materiale didattico distribuito |
| 24 | CAMPI MAGNETICI: Moto di una particella carica in un campo magnetico, spettrometro di massa, ciclotrone | Testo 4: Cap. 22: pagg. 744- 753 parr. 22.1-22.4 (par. 22.4 approfondimento) |
| 25 | CAMPI MAGNETICI: forza magnetica su un conduttore percorso da corrente, campo magnetico prodotto da una corrente, la legge di Biot-Savart, forza magnetica prodotta da due conduttori paralleli, teorema di Ampere | Testo 4: Cap. 22: pagg. 754-755; 758-759; 761-766 parr. 22.5; 22.7, 22.8-22.10 (par. 22.9: approfondimento) |
| 26 | CAMPI MAGNETICI: la legge di Faraday e l’induzione, densità di energia in un campo magnetico. | Testo 4: Cap. 23: pagg. 781-785; 791-794; 801- 803 parr. 23.1; 23.3; 23.7 |
| 27 | ONDE ELETTROMAGNETICHE: le onde elettromagnetiche, l’energia trasportata dalle onde elettromagnetiche, lo spettro delle onde elettromagnetiche, la legge di Wien, | Testo 7: Cap.33 par. 33.1-33.3; 33.5, 33.7. Materiale didattico distribuito |
| 28 | ONDE ELETTROMAGNETICHE: i campi elettromagnetici e gli effetti sulla salute umana, | Materiale didattico distribuito |
| 29 | OTTICA GEOMETRICA: riflessione, rifrazione e dispersione della luce, riflessione totale, le fibre ottiche. | Testo 7: Cap.33 par. 33.8, 33.9 |
| 30 | OTTICA GEOMETRICA: lenti e formazioni delle immagini, ottica della visione | Testo 7: Cap.26: pagg. 879-901, par. 26.1-26.5 |
| 31 | OTTICA GEOMETRICA: la lente di ingrandimento e il microscopio ottico, | Testo 7: Cap.34 par. 34.8 (approfondimento) |
| 32 | Riepilogo argomenti trattati |