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PORTALE DELLA DIDATTICA

Fisica II

20AXPNX

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 65
Esercitazioni in aula 15
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Giorgis Fabrizio Professore Ordinario FIS/03 47 15 0 0 16
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
FIS/01
FIS/03
4
4
A - Di base
A - Di base
Fisica e chimica
Fisica e chimica
2018/19
Questo insegnamento, collocato nel I semestre del secondo anno, intende fornire le basi teoriche da utilizzare nei corsi di fisica e ingegneria per Ingegneri Elettronici ed Ingegneri Fisici dei semestri successivi. E' quindi un corso centrale per la futura formazione dell'ingegnere fisico ed elettronico. Il corso è suddiviso in due parti: nella prima (Modulo Elettromagnetismo Classico) sono trattati argomenti fondamentali quali l'elettromagnetismo classico e le equazioni di Maxwell, l'ottica fisica e ondulatoria. Nella seconda parte (Modulo Introduzione alla Meccanica Quantistica e alla Struttura della Materia) gli studenti vengono divisi in due squadre, una formata dagli studenti iscritti al corso di Laurea in Ingegneria Fisica (SQ1) e l'altra formata dagli studenti iscritti al corso di Laurea in Ingegneria Elettronica (SQ2). Per quanto riguarda gli studenti iscritti al corso di Laurea in Ingegneria Fisica verrà affrontato il tema della crisi della fisica classica e della transizione alle basi della fisica moderna, con particolare riguardo alla fisica quantistica ed alle sue implicazioni metodologiche e pratiche. Per quanto riguarda gli studenti iscritti al corso di Laurea in Ingegneria Elettronica verrà sviluppata la fisica quantistica necessaria per la descrizione delle proprietà elettroniche e ottiche della materia, con particolare riguardo alla classificazione dei materiali semiconduttori e metallici.
The course is taught in English. Aim of the course (1st semester, 2nd year) is to provide the students of Electronic Engineering and Physical Engineering with the theoretical concepts to be used in all courses of the following semesters. This is therefore a pivotal course for the ensuing career of an electronic engineer and a physics engineer. The course is divided in two sections: in the first one (Classical Electromagnetism), fundamental subjects of basic physics are treated, such as: electromagnetism and the Maxwell's equations, physical and geometrical optics. In the second section (Introduction to Quantum Mechanics and Structure of Matter), students are divided in two groups, composed of all physics engineers (SQ1) and all electronic engineers (SQ2). For students of Physics Engineering, the subjects involve: the crisis of classical mechanics, the transition to the fundaments of modern physics, with emphasis on quantum physics and its implications in terms of methods and practice. For students of Electronic Engineering, the quantum physics concepts needed to describe electronic and optical properties of matter are developed, with emphasis to the classes of semiconductor and metallic materials.
- Conoscenza della magnetostatica. - Capacità di applicare la magnetostatica a problemi semplici. - Conoscenza dei principi base dei campi elettrici e magnetici dipendenti dal tempo. - Conoscenza delle equazioni di Maxwell. - Capacità di applicare le equazioni di Maxwell per risolvere problemi elettromagnetici elementari. - Conoscenza dell'ottica ondulatoria come conseguenza delle equazioni di Maxwell. - Conoscenza delle leggi dell'ottica ondulatoria e delle proprietà delle onde elettromagnetiche. - Capacità di applicare le leggi dell'ottica ondulatoria e geometrica in problemi base e in strumenti ottici semplici. - Conoscenza preliminare delle leggi e dei principi della meccanica quantistica. - Capacità di risolvere problemi elementari di meccanica quantistica. - Conoscenza delle statistiche quantistiche. - Capacità di usare le statistiche quantistiche nella descrizione delle proprietà della materia condensata.
- Knowledge of magnetostatics. - Ability to apply magnetostatics to simple problems. - Knowledge of basic principles of time-dependent electric and magnetic fields. - Knowledge of Maxwell's equations. - Ability to apply the Maxwell's equations to solve elementary problems of electromagnetism. - Knowledge of wave optics as a consequence of Maxwell's equations. - Knowledge of wave optics laws and of properties of electromagnetic waves. - Ability to apply the laws of wave and geometrical optics e to basic problems and simple optical instruments. - Preliminary knowledge of laws and principles of quantum mechanics. - Ability to solve elementary problems of quantum mechanics - Preliminary knowledge of quantum statistics - Ability to use quantum statistics in the description of condensed matter properties.
- Fisica di base (meccanica, termodinamica) - Matematica di base e geometria
- Basic physics (mechanics, thermodynamics) - Basic mathematics and geometry
- Richiami di elettrostatica: forza elettrica, campo e potenziale elettrico; campi magnetostatici e loro generazione; corrente elettrica e legge di Ohm; forze magnetiche su correnti elettriche; leggi di Ampere-Laplace e Biot-Savart; polarizzazione elettrica della materia; campo magnetico nella materia (diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo); campi elettrici e magnetici dipendenti dal tempo; induzione elettromagnetica ( 3,5 CFU) - Equazioni di Maxwell e propagazione di campi elettromagnetici; ottica geometrica ed ondulatoria (interferenza e diffrazione) (1,5 CFU) SQ1 - Richiami di termodinamica classica; inadeguatezza della fisica classica (descrizione di alcuni esperimenti cruciali e loro interpretazione, necessità di formulazione di una nuova teoria fisica); equazione e rappresentazione di Schrodinger; proprietà degli operatori quantistici un rappresentazione di Schrodinger; autofunzioni e autovalori di un operatore quantistico; misura di una grandezza fisica; principio di indeterminazione (1,5 CFU) - Analisi di problemi quantistici unidimensionali; cenni all'atomo e alla molecola di idrogeno; equazione di Schrodinger per una schiera infinita di buche di potenziale; elementi di meccanica statistica applicata a sistemi quantistici (l'oscillatore armonico); il gas di fotoni e di fononi (distribuzione di Bose-Einstein); la soluzione del problema del corpo nero; calore specifico dei solidi (modello di Einstein); il gas di elettroni (distribuzione di Fermi-Dirac) (1,5 CFU) SQ2 - Transizione dalle fisica classica alla fisica quantistica; equazione di Schrodinger; misura di una grandezza fisica; principio di indeterminazione; problemi quantistici unidimensionali; equazione di Schrodinger per una schiera infinita di buche di potenziale; elettroni nei solidi cristallini; distribuzione di Bose-Einstein e Fermi-Dirac. (2 CFU) - Proprietà elettriche di semiconduttori e metalli (trattazione quantistica); interazione fotoni-materia (1 CFU)
- Recall of electrostatics: electric force, electric field and potential; magnetostatic field and their generation; electric current and Ohm law; Ampere-Laplace e Biot-Savart laws; electric polarization of matter; magnetic field in matter (diamagnetism, paramagnetism and ferromagnetism); time dependent electric and magnetic fields; electromagnetic induction (3,5 CFU) - Maxwell’s equations and electromanetic waves propagation; geometrical and wave optics (interference and diffraction) (1,5 CFU) SQ1 - Recalls of classical thermodynamics; Inadequacies of classical physics (crucial experiments, their description and their interpretation; need to formulate a new physical theory); the Schroedinger's equation and representation; properties of quantum operators in the Schroedinger's representation; eigenfunctions and eigenvalues of a quantum operator; measurement of a physical quantity; indeterminacy principle. (1,5 CFU) - Analysis of one-dimensional quantum problems; an overview of the Hydrogen atom and molecule; the Schroedinger's equation for an infinite array of potential wells; elements of statistical mechanics applied to quantum systems (the harmonic oscillator); the gas of photons and phonons (the Bose-Einstein's distribution), the solution of the black-body problem; the specific heat of solids (in the Einstein's approach), the electron gas (the Fermi-Dirac's distribution) (1,5 CFU). SQ2 - From classical to quantum physics; the Schroedinger's equation; measurement of a physical quantity; indeterminacy principle; one-dimensional quantum problems; the Schroedinger's equation for an infinite array of potential wells; electrons in crystalline solids; Bose-Einstein and Fermi-Dirac distrubutions. (2 CFU) - Electrical properties of semiconductors and metals (quantum approach); photon-matter interaction (1 CFU)
Le esercitazioni in aula riguardano la risoluzione di semplici problemi, con applicazioni di quanto trattato nelle lezioni immediatamente precedenti. Può essere richiesto in taluni casi l'uso di calcolatrici scientifiche (personali, di ciascuno studente).
Class exercises concern with simple problem solving activities, in strict correlation with the previous theoretical lectures. In some cases scientific calculators (students' personal property) may be required.
Modulo Elettromagnetismo Classico: - "Elementi di FISICA Elettromagnetismo e onde" P. MAZZOLDI, M. NIGRO e C. VOCI -II Edizione (ED. EDISES) - Dispense a cura di F. Giorgis Modulo Introduzione alla Meccanica Quantistica e alla Struttura della Materia: - Dispense a cura di F. Giorgis, C. Pirri, S. Ferrero
Classical Electromagnetism: - "Elementi di FISICA Elettromagnetismo e onde" P. MAZZOLDI, M. NIGRO e C. VOCI -II Edizione (ED. EDISES) - F. Giorgis’ notes Introduction to Quantum Mechanics and Structure of Matter: - Notes by F. Giorgis, C. Pirri and S. Ferrero
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
L'esame finale comprende uno scritto e un orale. Lo scritto comprende: a) quesiti a risposta multipla di teoria sulla prima parte, b) domande di teoria a risposta aperta sulla seconda parte, c) problemi simbolici e/o numerici relativi agli argomenti principali della prima e seconda parte. Il voto massimo conseguibile nella parte di problemi è di 15 trentesimi, quello conseguibile nella parte di quesiti a risposta multipla/domande a risposta aperta è di 15 trentesimi. Il tempo complessivamente assegnato per la prova è di 2h 30min, e per superare lo scritto occorre ottenere un punteggio complessivo pari a 18 trentesimi. All’esame scritto gli studenti possono avvalersi solo dell’ausilio di una calcolatrice. L'orale, dedicato solo a coloro che hanno conseguito la sufficienza allo scritto, ha una durata di 20-30 min, e riguarda tutti gli argomenti trattati nelle lezioni inerenti alla seconda parte del corso. Il voto finale è una media pesata della valutazione di scritto e orale.
Exam: written test; optional oral exam;
The exam include a written and an oral proof. The written proof concerns with: a) multiple-answer quiz on the classical electromagnetism theory, b) questions on quantum mechanics theory, c) problems (either symbolic or numeric) referring to the main subjects of all the course. The maximum mark of the problems section is 15/30, that of the questions section is 15/30. The total scheduled time for the written exam is 2h 30min. The written proof is passed with a total score of at least 18/30. The oral proof lasts 20-30 mins. and deals with all the subjects treated in lectures of Quantum Mechanics and Structure of Matter. The final mark is a weighted average of written/oral scores.


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