ITALIANO

Il corso di Fisica e Statistica da 9 CFU è suddiviso in due parti: una di Fisica da 7 CFU e l'altra di Statistica ed Elaborazione Dati da 2 CFU. Nel corso di Fisica saranno introdotte le grandezze e i fenomeni fisici alla base dei processi biologici. I contenuti sono selezionati in modo da fornire allo studente le conoscenze adeguate per affrontare gli studi di Scienze Biologiche. In particolare, gli argomenti principali che verranno trattati sono: metodo scientifico e calcolo vettoriale; cinematica e dinamica del punto materiale; leggi delle forze; statica e dinamica dei fluidi; termodinamica; campi elettrici e magnetici; ottica geometrica. L'insegnamento di Statistica verterà sulla teoria degli errori, la probabilità, l'interpretazione grafica e l'analisi dei dati sperimentali.

1) Principi di Fisica di R. Velotta - EdiSES; 2) Principi di Fisica di R. A. Serway e J. W. Jewett - EdiSES. Per la parte di Statistica ed Elaborazione Dati: 1) Elaborazione statistica dei dati sperimentali di G. Filatrella e P. Romano - EdiSES; 2) Introduzione all’analisi degli errori di J. R Taylor - Zanichelli.

Conoscenza e Comprensione: Approfondimento delle leggi fondamentali della fisica allo scopo di acquisire competenze teoriche e operative nell’ambito delle sue applicazioni in campo biologico. Apprendimento delle caratteristiche degli strumenti di misura e delle tecniche di analisi di dati sperimentali.

Capacità di Applicare la Conoscenza e la Comprensione: Al termine del corso, lo studente conoscerà le leggi fondamentali della meccanica classica, della termodinamica, dell'elettromagnetismo e le metodologie che portano alla soluzione di problemi che riguardano fenomeni meccanici, termici ed elettromagnetici. In particolare, lo studente sarà in grado di: - definire le grandezze utilizzate per descrivere i fenomeni fisici fondamentali, e le loro unità di misura; - interpretare le leggi che governano tali fenomeni; - risolvere problemi concernenti fenomeni di natura meccanica, termica e di elettrodinamica classica di base.
Autonomia di Giudizio: Abilità ed autonomia nella risoluzione di problemi. Lo studente avrà imparato a ragionare criticamente e saprà applicare le nozioni di fisica di base a problemi più complessi che affronterà nei suoi successivi studi.
Abilità Comunicative: lo studente svilupperà un linguaggio scientifico appropriato per descrivere i fenomeni propri della fisica classica. Sarà in grado di risolvere problemi di fisica classica e descriverne i processi oralmente.
Capacità di Apprendimento: l’insegnamento promuove la capacità di apprendimento, mira a sviluppare competenze trasversali e autonomia, permettendo agli alunni di gestire il proprio percorso formativo in modo attivo e critico. continuo con adeguato livello di autonomia.

Matematica di base: trigonometria, calcolo differenziale ed integrale.

Il corso è organizzato nel modo seguente: 6 ore settimanali di lezioni frontali in aula, per un totale di 72 ore su tutto il semestre.
Ogni settimana, 4 riguarderanno la prima parte del corso (ed includeranno anche delle esercitazioni numeriche volte alla comprensione degli argomenti trattati), le altre 2 verteranno sulla parte di teoria della misura.

L’esame consiste di una prova scritta alla quale segue una prova orale (obbligatoria solo in alcuni casi, come spiegato nel seguito). Il voto finale è espresso in trentesimi. Durante la prova scritta, della durata di 120 minuti, lo studente dovrà risolvere una serie di quesiti e problemi numerici a risposta aperta. Il punteggio di ciascun esercizio varia a seconda della difficoltà dello stesso. La prova scritta è superata solo se lo studente ottiene una votazione maggiore o uguale a 16/30 (ottenuta come somma dei punteggi nei singoli esercizi). Lo studente che, alla prova scritta, ottiene una votazione maggiore o uguale a 16/30 può sostenere l'esame orale oppure verbalizzare direttamente il voto conseguito. Chi ottiene un voto inferiore a 18 ma maggiore o uguale a 16/30 deve necessariamente sostenere il colloquio orale della durata di circa 45 minuti.
La prova orale consiste in una discussione sugli argomenti del programma svolto.
La valutazione finale sarà espressa in trentesimi e determinata come media ponderata dei punteggi conseguiti: 25% per la prova scritta e 75% per la prova orale.

La frequenza è fortemente raccomandata.
Durante il semestre, agli studenti è offerta la possibilità di sostenere una prova scritta di autovalutazione in itinere, strutturata in modo analogo all’esame finale, ma limitata al programma effettivamente svolto fino a quel momento. La prova sarà corretta e discussa in aula.
Il materiale didattico (dispense, presentazioni, eventuali approfondimenti) sarà reso disponibile sul sito del docente e sulla classe virtuale di Microsoft Teams.

Prima parte del corso (7 CFU)
Grandezze fisiche: Grandezze dimensionali e adimensionali, fondamentali e derivate, scalari e vettoriali. Unità di misura di lunghezze, masse e tempo. Vettori e loro componenti. Modulo di un vettore. Prodotto di un vettore per uno scalare. Somma e differenza di due vettori. Prodotto scalare e vettoriale: regola della mano destra.
Cinematica: Punto materiale. Vettore posizione. Velocità media e istantanea. Accelerazione media e istantanea. Legge oraria e relazione con la velocità e l’accelerazione. Moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato. Legge oraria e velocità in funzione del tempo. Accelerazione di gravità. La velocità in funzione dello spostamento in un moto uniformemente accelerato. Moti bidimensionali. Traiettoria e relativa equazione parabolica nel moto di un proiettile. Calcolo della gittata.
Dinamica del punto materiale: I tre principi della dinamica Newtoniana. La fenomenologia legata alla loro formulazione. Sistemi di riferimento inerziali. Fenomenologia della forza gravitazionale. Forza peso. Reazioni vincolari. Fenomenologia delle forze di attrito statico e dinamico. Coefficiente di attrito statico e sua determinazione sperimentale. Applicazioni del secondo principio della dinamica a casi in cui ci sono forze di attrito e reazioni che vincolano i punti a muoversi su piani orizzontali e inclinati. Condizioni di equilibrio per un punto materiale. Moto circolare: raggio vettore, velocità angolare, velocità istantanea e accelerazione centripeta. Forza centripeta. Moto circolare uniforme e vario: accelerazione tangenziale. Energia cinetica di un punto materiale. Lavoro di una forza costante e sua unità di misura. Teorema delle forze vive. Lavoro di una forza variabile. Lavoro compiuto dalla forza peso e sua indipendenza dal cammino percorso. Forze conservative ed energia potenziale. Conservazione dell’energia meccanica in assenza di forze dissipative. Applicazione della conservazione dell’energia meccanica. Fenomenologia delle forze elastiche. Legge di Hooke. Applicazione del teorema delle forze vive nel caso di forze elastiche ed energia potenziale elastica. Derivazione della legge oraria per un punto materiale soggetto a una forza elastica.
Statica e dinamica dei fluidi: Definizione di densità e pressione per un fluido. Loro unità di misura nel sistema internazionale e unità convenzionali. Legge di Stevino. Barometro di Torricelli. Principio di Pascal. Pressa idraulica. Principio di Archimede. Condizioni di galleggiamento di un corpo in un fluido. Definizione di fluido perfetto: irrotazionalità, incomprimibilità, moto laminare e viscosità. Linee di flusso. Equazione di continuità per un tubo di flusso. Teorema di Bernoulli e sua derivazione. Effetto Venturi. Portanza. Fluidi viscosi, legge di Poiseuille, numero di Reynolds. Sistema circolatorio e pressione arteriosa.
Termodinamica: Sistemi termodinamici. Energia interna. Stati di aggregazione. Trasporto di energia. Principio zero. Termometri. Gas perfetto. Scale termodinamiche. Equazioni di stato. Espansione. Calore. Capacità termica e calore specifico. Calorimetri. Passaggio di stato. Esperienza di Joule. Il primo principio della termodinamica. Piano di Clapeyron. Energia interna di gas perfetti. Isoterme. Calore molare specifico. Trasformazioni Adiabatiche. Conversione di energia. Secondo principio della termodinamica. Equivalenze tra i due enunciati di Clausus e Kelvin. Processi reversibili e macchine termiche. . Macchina refrigerante. Ciclo di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Entropia. Entropia dell'universo.
Elettrostatica nel vuoto: Fenomenologia delle forze elettriche. Forza di Coulomb. Conduttori e isolanti. Campo elettrico creato da una singola carica e principio di sovrapposizione. Campo elettrico creato da un sistema di cariche. Campo di un dipolo. Campo elettrico prodotto da una distribuzione di cariche uniforme a forma di anello e di disco. Flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa. Teorema di Gauss. Campo elettrico prodotto da una distribuzione uniforme di carica filiforme indefinita. Campo prodotto da una distribuzione di carica piana indefinita e uniforme. Caso di due lastre piane e parallele con densità speculare. Campo prodotto da una sfera uniformemente carica. Condensatori. Capacità di un condensatore piano, cilindrico e sferico. Calcolo del lavoro delle forze elettriche e sua indipendenza dal cammino: energia potenziale elettrostatica. Resistenza di un tratto di circuito. Legge di Ohm. Principi di Kirchhoff. Equivalente di resistenze in serie e in parallelo. Forza elettromotrice. Campo magnetico. Forza di Lorentz. Moto di una carica in un campo magnetico. Campo magnetico di un filo e di una spira percorso da corrente. Flusso magnetico. Legge di induzione di Faraday-Neuman. Legge di Lenz.
Ottica geometrica: la riflessione e la rifrazione della luce. Specchi, diottri sferici e lenti. Combinazioni di lenti. Aberrazioni ottiche.
Seconda parte (2 CFU)
Variabili casuali discrete, continue e nominali. Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Valore vero di una grandezza fisica, incertezze ed errori di misura. Errori sistematici e casuali. Strumenti di misura: intervallo di funzionamento, prontezza, sensibilità, risoluzione, precisione e accuratezza. Errori casuali massimi e statistici. Indici di posizione: semisomma dei valori lontani, media, mediana e moda. Indici di dispersione: semidifferenza dei valori lontani, scarto quadratico medio. Cifre significative ed errore relativo. Propagazione degli errori massimi. Propagazione degli errori statistici. Errore sulla media. Istogrammi a barre ed istogrammi ad intervalli. Grafici di due variabili. Definizioni classica e sperimentale della probabilità. Distribuzioni di probabilità discrete e continue. Valor medio e varianza delle distribuzioni di probabilità. Distribuzioni di probabilità binomiale e poissoniana. Distribuzione di probabilità gaussiana: proprietà ed integrale normale degli errori. Metodo dei minimi quadrati. Uso di un computer con sistema operativo Windows. Il programma Microsoft Excel: cosa è e cosa fa un foglio elettronico; come creare una tabella di risultati sperimentali; come elaborare i dati sperimentali; come scrivere una formula. I grafici: varie tipologie di grafici; come creare un grafico; integrazione delle applicazioni Office; retta di regressione lineare (minimi quadrati); interpolazione grafica; esercizi.

Italian

The Physics and Statistics course (9 CFU) is divided into two parts: one covering Physics (7 CFU) and the other covering Statistics and Data Processing (2 CFU). In the Physics component, fundamental physical quantities and phenomena underlying biological processes will be introduced. The content is curated to provide students with adequate knowledge to pursue studies in Biological Sciences. Specifically, the main topics covered include: scientific method and vector calculus; kinematics and dynamics of material points; laws of forces; statics and dynamics of fluids; thermodynamics; electric and magnetic fields; geometrical optics. The Statistics instruction will focus on error theory, probability, graphical interpretation, and analysis of experimental data.

1) Principi di Fisica di R. Velotta - EdiSES; 2) Principi di Fisica di R. A. Serway e J. W. Jewett - EdiSES. Per la parte di Statistica ed Elaborazione Dati: 1) Elaborazione statistica dei dati sperimentali di G. Filatrella e P. Romano - EdiSES; 2) Introduzione all’analisi degli errori di J. R Taylor - Zanichelli.

Knowledge and Understanding: An in-depth study of the fundamental laws of physics to acquire theoretical and practical skills in their application to the biological sciences. Students will learn the characteristics of measuring instruments and techniques for analyzing experimental data.

Ability to Apply Knowledge and Understanding: By the end of the course, students will be familiar with the fundamental laws of classical mechanics, thermodynamics, and electromagnetism. They will also be familiar with the methodologies used to solve problems involving mechanical, thermal, and electromagnetic phenomena. Students will be able to: - define quantities that describe fundamental physical phenomena and their units of measurement;
- interpret the laws that govern these phenomena;
- solve problems concerning mechanical, thermal, and basic classical electrodynamic phenomena.

Independent Judgment: The ability to solve problems independently. Students will learn to think critically and apply basic physics concepts to more complex problems they will encounter in their future studies.
Communication Skills: Students will develop the scientific vocabulary necessary to describe classical physics phenomena. They will be able to solve classical physics problems and describe the processes involved orally.
Learning Skills: This course promotes learning skills and aims to develop transferable skills and autonomy. It enables students to actively and critically manage their own educational journey.

Basic mathematics: trigonometry, differential and integral calculus.

The course is organized as follows: 6 hours of classroom lectures per week, for a total of 72 hours throughout the semester.
Each week, 4 will cover the first part of the course (and will also include numerical exercises aimed at understanding the subjected elements), and the other 2 will focus on the part of the theory of measurement.

The exam consists of a written test, followed by an oral exam (mandatory only in certain cases, as explained below). The final grade is expressed on a scale of thirty. During the written test, which lasts 120 minutes, the student must solve a series of open-ended questions and numerical problems. The score for each exercise varies depending on its difficulty. The written test is passed only if the student achieves a score of 16/30 or higher (obtained as the sum of the points from individual exercises). A student who receives a score of 18/30 or higher on the written test can either take the oral exam or directly record the grade achieved. Those who score below 18 but at least 16/30 are required to take the oral exam of about 45 min.
The oral examination consists of a discussion on the topics covered in the course.
The final grade will be expressed out of 30 and calculated as a weighted average of the scores obtained: 25% for the written exam and 75% for the oral exam.

Attendance is strongly recommended. During the semester, students will have the opportunity to take a written self-assessment test in itinere, structured similarly to the final exam but limited to the material covered up to that point. The test will be corrected and discussed in class. Teaching materials (handouts, presentations, and any additional resources) will be made available within teacher url and virtual classroom on Microsoft Teams.

First part (7 CFU)
Mechanics of the material point
The scientific method. Physical quantities and their dimensions. Orders of magnitude. Scalar and vector quantities. Operations with the carriers. Material point. Trajectory. Speed. Acceleration. One-dimensional motions. Naturally accelerated motion. Uniform circular motion. Parabolic motion. Inertial systems. Forces and their measure. Mass. The principles of dynamics. Dynamics of curvilinear motion. Real and fictitious forces. Theorem of momentum. Isolated systems. Conservation of momentum. Moment of a force with respect to a point and an axis. Angular momentum. Theorem of angular momentum. Rigid bodies rotating around an axis. Moment of inertia. Center of mass. Levers. Work and energy; gravitational, electrical, elastic, and frictional forces. Work of a force. Theorem of kinetic energy. Power. Conservative forces. Energy conservation. Elastic bodies and Hooke's law. Gravitational field.
Fluid mechanics
Pressure, density, specific weight. Liquids and aeriforms. Pascal's principle. Stevino's law. Principle of Archimedes and applications. Pressure measurements. Flow lines. Vector field. Continuity equation. Bernoulli's theorem and applications. Real liquids. Poiseuille scheme. Hagen-Poiseuille's law. Sedimentation. Centrifugation. Blood pressure. Thermodynamics
Thermodynamic systems. Internal energy. Aggregation states. Energy transport. Zero principle. Thermometers. Perfect gas. Thermodynamic stairs. Equations of state. Expansion. Heat. Specific heat and thermal capacity. Calorimeters. State steps. Joule experience. The first principle of thermodynamics. Clapeyron plan. The internal energy of perfect gases. Isotherms. Specific molar heat. Adiabatic. Energy conversion. Statements of the second principle of thermodynamics. Equivalences between the two statements. Reversible processes and thermal machines. Yield. Refrigerating machine. Carnot cycle. Absolute thermodynamic temperature. Entropy. The entropy of the universe.
Electricity and magnetism
Phenomenology. Insulators and conductors. Conservation of the charge. Electric field. Coulomb's law. Electrostatic potential. Gauss's law and applications. Capacitance and capacitors. The energy of the electric field. Electric dipole. Electric current. Resistance and resistivity. Ohm's law. Resistors in series and in parallel. Ammeter. Voltmeter. Ohmmeter. Electromotive force. Magnetic field. Lorentz force. Motion of a charge in a magnetic field. The magnetic field of a current-driven wire and coil.
Faraday-Neumann induction law. Lenz's law.
Geometric optics: reflection and refraction of light. Mirrors, spherical diopters, and lenses. Lens combinations. Optical aberrations.
Second part (2 CFU)
Discrete, continuous and nominal random variables. Fundamental and derived physical quantities. The true value of a physical quantity, uncertainties and measurement errors. Systematic and random errors. Measurement tools: operating range, readiness, sensitivity, resolution, precision and accuracy. Maximum random and statistical errors. Position indexes: semi-sum of distant values, average, median and fashion. Indexes of dispersion: semi-difference of distant values, standard deviation. Significant figures and relative error. Propagation of maximum errors. Propagation of statistical errors. Error on the media. Bar histograms and interval histograms. Graphs of two variables. Classical and experimental definitions of probability. Discrete and continuous probability distributions. Average value and variance of probability distributions. Binomial and Poissonian probability distributions. Gaussian probability distribution: properties and normal integral of errors. Least squares method. Using a computer with a Windows operating system. The Microsoft Excel program: what is and what does a spreadsheet do; how to create a table of experimental results; how to process experimental data; how to write a formula. Graphs: various types of graphs; how to create a chart; Office application integration; linear regression line (least squares); graphic interpolation; exercises.