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Esperimentazioni II (corso A)

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Physics Laboratory II

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
FIS0112
Docenti
Maxim Alexeev (Titolare del corso)
Stefania Beolè (Titolare del corso)
Michela Chiosso (Titolare del corso)
Corso di studio
008703 Laurea in Fisica
Anno
2° anno
Periodo
Annuale
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
12
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Elettricità e magnetismo
Elettromagnetismo e Ottica
Electricity and Magnetism, Electromagnetism and optics
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Scopo dell’insegnamento è far acquisire la capacità di operare autonomamente nell'ambito di un'attività di tipo sperimentale e di approcciare in modo critico le esperienze di laboratorio, che riguardano la caratterizzazione e lo studio sperimentale dei circuiti elettrici, dell’ottica geometrica, dell’ottica fisica e della fisica moderna. Per l'analisi dati di ciascuna esperienza viene fornita una traccia non vincolante. Si lascia l’autonomia di analizzare i dati al meglio, allo scopo di acquisire la capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica.

 

Elettromagnetismo e circuiti elettrici

L’obiettivo è acquisire le nozioni fondamentali per l'analisi dei circuiti elettrici e per l'utilizzo degli strumenti di laboratorio necessari alla caratterizzazione e allo studio sperimentale dei circuiti elettrici: tester, oscilloscopi analogici e digitali, generatori di funzioni, alimentatori stabilizzati, ponti LCR. Si apprenderanno l'uso e i limiti della strumentazione elettronica di base necessaria per misure elettriche ed elettroniche per la caratterizzazione e lo studio sperimentale di circuiti elettrici composti da resistenze, condensatori, induttanze, diodi, transistor e celle solari. 

Ottica e Fisica Moderna

L’obiettivo è imparare a operare autonomamente in laboratorio svolgendo esperienze fondamentali nella storia della fisica classica, in particolare nell'ottica geometrica e fisica. Gli strumenti a disposizione sono basati sugli elementi fondamentali dell'ottica: lenti, prismi, interferometri, reticoli di diffrazione, polarimetri. Inoltre verrà richiesto di dimostrare di aver acquisito le nozioni relative all'analisi dei dati raccolti in laboratorio e di essere in grado di utilizzarli per stilare un resoconto dettagliato dell'esperienza. 

Per partecipare con profitto alla presa dati è indispensabile aver preparato l'esperienza in anticipo, studiando con attenzione l'apparato sperimentale.

 

First Module: Electromagnetism and electric circuits

The aim of the module is to give the fundamental basics on electrical circuits analysis and the use of lab instruments for the characterization and experimental study of electrical circuits: tester, analog and digital oscilloscope with FFT, waveforms generators, LV power supplies, LCR meters. The students learn how to use the basic electronic instrumentation needed for electrical and electronic measurements with the goal of characterizing electrical circuits with resistances, copacitors, inductors, diodes, transistors and solar cell.

Second Module: Optics and Modern Physics

The aim of the module is to learn to work autonomously in the laboratory, doing experimental activities which were fundamental in the history of Classical Physics, in particular in geometric and physical optics. The available instruments are based on the basic elements of Optics: lenses, prisms, interferometers, diffraction gratings, polarimeters. In addition it will be required to prove to have achieved the notions related to the analysis of data collected in the lab and to be able to use them to write a detailed report on the experimental work.

To take part in the data collection in the best way, it is indispensable to have planned the experimental work in advance, studying in detail the experimental set up and writing down its main features on the logbook. For the data analysis of each activity a suggested outline, not strictly binding, will be provided. The experimenter is left free to analyse the data in the best way he/she presumes, depending on the experimental work and the collected data

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione

L’insegnamento, trattando o rivisitando argomenti di elettromagnetismo e circuiti elettrici, ottica e fisica moderna per presentarne poi la verifica sperimentale, permette di acquisire la capacità di operare autonomamente nell'ambito di un'attività di tipo sperimentale e di approcciare in modo critico le esperienze di laboratorio. 

Gli studenti e le studentesse devono comprendere le modalità di funzionamento delle strumentazioni di laboratorio e della componentistica tipicamente utilizzata nelle esperienze proposte, nonché elaborare i dati acquisiti effettuando una corretta analisi statistica. La relazione di laboratorio rafforza le competenze computazionali, informatiche e di comunicazione scientifica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento si dovrà essere in grado di effettuare autonomamente misure di Laboratorio, dimostrando di aver acquisito adeguata competenza nell'uso della strumentazione, dettagliando i problemi riscontrati, la possibilità o meno di adottare un approccio statistico nell'analisi dei dati, spiegare le eventuali sorgenti di errori sistematici e quotarne l'incidenza sul risultato finale. Inoltre sarà richiesto di sapere comunicare i risultati in forma adeguata.

To acquire the capability to work autonomously with regard to an experimental activity and to critically approach the lab activities. At the end of the course the students must be able to discuss the experimental activities which have been done, proving to have acquired an adequate competence in the use of instrumentation, detailing the observed issues and the statistical approach adopted in the data analysis, and explaining the possible sources of statistical errors and their effect on the final result.

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Programma

Elettromagnetismo e circuiti elettrici

Funzionamento e uso dell'oscilloscopio e di altri strumenti di misura elettrica. Misura di parametri fondamentali di circuiti elettrici: Resistenze, Capacità e Induttanze. Filtri RC e RCL. Caratteristica di diodi al silicio e LED. Raddrizzamento di tensioni alternate. Caratteristica di una cella solare e rendimenti, caratteristiche di un transistor BJT. Teoremi fondamentali dell'analisi di circuiti e calcolo simbolico per circuiti con tensioni alternate sinusoidali.

Questa parte prevede lo svolgimento di una serie di esperienze di laboratorio su:

  1. Caratteristica di una lampadina e resistenza interna di strumenti di misura (amperometri e voltmetri)
  2. Circuiti RC, RL ed RCL
  3. Caratteristica di diodi
  4. Caratteristiche di transistor BJT e modi di funzionamento del transistor BJT (Amplificatore, Stati logici).
  5. Caratterizzazione di un pannello fotovoltaico
  6. Esperienza con ARDUINO

 

Ottica e Fisica Moderna

Ottica geometrica: natura e propagazione della luce e approssimazioni dell'ottica geometrica, indice di rifrazione, riflessione e rifrazione, riflessione totale, prisma, specchi piani e sferici, diottro sferico, lenti sottili, sistema formato da due lenti sottili, sistema diottrico centrato generico.

Ottica fisica (la teoria di queste parti e' trattata in modo completo nel corso di Fisica III): Interferenza, diffrazione, reticolo di diffrazione, polarizzazione della luce, prisma di Nicol, lamine di ritardo. Fisica Moderna: La costante di Planck.

Questa parte prevede lo svolgimento delle esperienze in laboratorio elencate di seguito:

  1. Misura della distanza focale di una lente convergente e di una lente divergente
  2. Misura dell'indice di rifrazione in funzione della lunghezza d'onda, taratura dello spettroscopio
  3. Misura del coefficiente di estinzione di un liquido
  4. Verifica della legge di Malus, studio dello stato di polarizzazione di un’onda elettromagnetica
  5. Polarimetro di Laurent
  6. Interferometro di Michelson
  7. Studio di fenomeni di interferenza e diffrazione con fenditure singole e multiple
  8. Determinazione della costante di Planck



I Module:

Use of the oscilloscope and of other instrument for electrical measurement. Measurement of fundamental circuits parameters: resistance, capacitance and inductance. Filters and Fourier series developments. Characteristics of silicon diodes and LEDs. Rectification of alternating signals. Characterization of a solar cell. Introduction to the analysis of DC and AC circuit.

Experimental measurements will be performed in laboratory on the following topics:
1. Loading effect of voltmeter and amperometer, characteristic of a tungsten filament bulb
2. RC, RL, RLC circuits
3. Characteristic of diodes
4. Characteristics of a transistor BJT and transistor amplifier
5. Solar Cell
6. Experimental activity using ARDUINO

 

II Module

Geometric optics: nature and propagation of light and geometric optics approximations, refractive index, reflection and refraction, total reflection, prisms, plane and spherical mirrors, spherical dioptre, thin lenses, system consisting in two thin lenses, generic centred dioptre system.

Physical optics:(the theory of these topics is dealt with in detail in the "Physics III" course): Interference, diffraction, diffraction reticulum, polarization of light, Nicol prism, quarter wave and half wave plates.

Modern physics: Planck's constant.

 

Experiments:

1-      Measurement of the focal distance of a convergent and of a divergent lens

2-      Measurement of the refractive index of a glass prism as a function of the light wavelenght

3-      Malus' law

4-      Measurement of the extinction coefficient of a liquid

5-      Laurent Polarimeter

6-      Michelson interferometer

7-      Determination of Planck's constant

8-      Diffraction gratings

 

Oggetto:

Modalità di insegnamento

  • Lezioni frontali 
  • Sessioni in presenza in laboratorio (frequenza obbligatoria) per la realizzazione delle esperienze proposte
  • Analisi dei dati (svolta in autonomia e in alcune sessioni col supporto delle/dei docenti)

Il materiale didattico sarà disponibile sulla pagina moodle linkata in fondo.

 

  • Class lectures
  • Practice activity in the LAB:  interactive sessions of 2 or 4 hours for the execution of each experiment
  • Data Analysis (done autonomously and/or in the laboratory with the support of the professors)

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto, esame dei report di laboratorio e prova pratica in laboratorio con esame orale. Il superamento dello scritto permette di accedere alla prova pratica, il cui risultato verrà discusso alla prova orale.

Ogni prova mira a valutare le competenze acquisite in differenti ambiti: esame scritto → competenze teoriche acquisite; esame elaborati → competenze in analisi e trattamento dei dati e della metodologia di lavoro; esame pratico → competenze pratiche e metodologia di lavoro specifica; esame orale → tutte le precedenti.


Descrizione dettagliata delle modalità di esame si troverà sulla pagina moodle linkata in fondo.

Written and Oral/Practical examination.
The achievement of a positive avaluation of the written examination is a necessary condition to be admitted to the practical examination, which will be discussed during the oral interview.

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Attività di supporto

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
"Introductory Circuit Analysis"
Anno pubblicazione:  
2018
Editore:  
Pearson
Autore:  
Robert L. Boylestad
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Fisica. Elettromagnetismo. Ottica
Anno pubblicazione:  
2017
Editore:  
CEA
Autore:  
Mencuccini, Silvestrini
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Fisica - Volume I - Elettromagnetismo e onde
Anno pubblicazione:  
2021
Editore:  
EdiSes
Autore:  
Mazzoldi, Nigro, Voci
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Fundamentals Of Optics
Anno pubblicazione:  
2011
Editore:  
MC GRAW HILL
Autore:  
Jenkins, White
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

 

Explanations about the proposed experimental activities and solved exercises are available on the Moodle page.

First Module, suggested textbooks:

  •  "Introductory Circuit Analysis"; Robert L. Boylestad; Pearson

 

Second Module, suggested textbooks:

Textbooks related to Physics II  courses (Electricity and Magnetism, Electromagnetism and Optics):

  • Mencuccini Silvestrini; Nigro Voci
  • Fundamental of Optics, Jenkins & White (English edition available)



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Note

Studenti con la prima lettera dell'alfabeto compresa tra A e K

Students with the first letter of the surname from A to K

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    23/10/2023 alle ore 15:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 23/10/2023 14:34
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