FISICA APPLICATA

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

italiano

Obiettivi formativi

Il corso di Fisica Applicata si propone di fornire allo studente una preparazione di fisica di base legata alla conoscenza e alla comprensione dei principi fisici fondamentali.
Il corso fornirà gli strumenti necessari, matematici e fisici, per affrontare argomenti di crescente complessità propedeutici anche ad altre importanti discipline del Corso di Laurea, quali Chimica, Biologia, Fisiologia, Biochimica, ecc. , che sulla fenomenologia fisica si fondano o di essa fanno frequente uso.
Il corso si ripromette altresì di fornire i rudimenti concettuali necessari per una comprensione, pur sommaria, di alcune importanti tecnologie che sempre più frequentemente accompagnano l'opera del medico e dello specialista quali ad esempio: centrifughe, endoscopi, microscopi, trasduttori per ecografia, sistemi laser, apparati radiologici, NMR, rivelatori di radiazioni, ecc.
In questo senso, il corso si prefigge anche lo scopo di sviluppare l'attitudine dello studente allo studio autonomo e all'aggiornamento continuo sulle nuove tecnologie fisiche che trovano applicazioni nella diagnostica e nella terapia in campo medico e biologico.
Come ultima finalità, non meno importante, il corso si prefigge di fornire allo studente uno stimolo per il raggiungimento di una maggiore confidenza su concetti di uso comune, ma non sempre sufficientemente chiariti dagli studi pregressi, quali: azioni meccaniche tra corpi a contatto e a distanza, sforzi ed energie in gioco, aspetti dinamici conseguenti a forze elastiche e urti, attriti e aspetti termici e termodinamici, proprietà statiche e dinamiche dei fluidi, luce e sue manifestazioni anche in relazione alla struttura dell'occhio e ai suoi difetti fisici, fondamenti dei fenomeni elettrici, magnetici e nucleari, le leggi che governano potenziali e correnti, radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari, perturbazioni indotte nei mezzi attraversati e aspetti di rivelazione e controllo.

Prerequisiti

nessuno

Contenuti dell'insegnamento

Il corso di Fisica Applicata tratterà gli aspetti più importanti della fisica di base, partendo dalla definizione delle principali grandezze fisiche e dei sistemi di unità di misura fino ad arrivare ai contenuti più complessi alla base della diagnostica per immagini e della radioterapia.
Verranno affrontati i principi fondamentali della meccanica, della dinamica dei fluidi, dell'elettromagnetismo, della termologia, dei fenomeni ondulatori e dell'ottica.
Verranno di volta in volta sottolineate le principali applicazioni e conseguenze sulla fisiologia del corpo umano ed in ambito medico. In particolare, verranno approfonditi aspetti relativi alla biomeccanica, alla circolazione del sangue, all'uso delle radiazioni in diagnostica e terapia
medica.

Programma esteso

Introduzione ai fenomeni fisici – Grandezze fisiche e leggi fisiche – Il metodo sperimentale – Unità di misura fondamentali e derivate – Equazioni dimensionali – Sistemi di unità di misura – Sistema internazionale – Rappresentazione delle leggi fisiche. – Incertezze ed errori – propagazione degli errori – Grandezze vettoriali
– Fondamenti della dinamica: Principi della dinamica – Forza, lavoro ed energia – Teorema dell’energia cinetica – Campi di forze conservativi – Energia potenziale – Conservazione dell’energia meccanica – Centro di massa e sue proprietà – Conservazione della quantità di moto – Momento di una forza – Cenni al moto dei corpi rigidi – Le leve e il corpo umano – Fenomeni elastici, legge di Hooke e moduli di elasticità – Flessione e torsione – Elasticità dei vasi sanguigni e delle ossa
– Onde e Acustica: Processi ondosi, equazione d’onda e parametri caratteristici – Onde stazionarie – Risonanza – Diffrazione e principio di Huyghens – Suono e suoi caratteri distintivi – Effetto Doppler – Ultrasuoni e loro applicazione in campo biomedico
– Fluidostatica e Fluidodinamica: La pressione – Leggi di Stevino, Pascal e Archimede – Pressione atmosferica e barometro di Torricelli – La pressione arteriosa e sua misura – Tensione superficiale e formula di Laplace – Capillarità e legge di Jurin – Embolia gassosa – Portata di un condotto – Liquido ideale e teorema di Bernoulli – Sue implicazioni per la circolazione sanguigna – Liquidi reali e viscosità – Moto laminare e teorema di Poiseuille – Resistenza idraulica – Formula di Stokes e velocità di sedimentazione – Regime turbolento e numero di Reynolds – Cenni sul lavoro cardiaco.
– Termologia e Termodinamica: Dilatazione termica – Temperatura e calore – Leggi dei gas e temperatura assoluta – Equazione di stato dei gas perfetti e approssimazione per i gas reali – Cenni di teoria cinetica dei gas – Calori specifici – Passaggi di stato e calore latente – Meccanismi di propagazione del calore – Primo e secondo principio della termodinamica – Macchine termiche e rendimento – Entropia e disordine
– Ottica: Riflessione e rifrazione – Riflessione totale e fibra ottica – Diottro sferico – Lenti sottili, specchi e costruzione delle immagini – Microscopio composto – Potere risolutivo – L’occhio come sistema diottrico – Principali ametropie dell'occhio e loro correzione mediante lenti – Aspetti ondulatori della luce – La luce laser
– Elettricità, magnetismo e correnti elettriche: Cariche elettriche e legge di Coulomb – Campo elettrico – Lavoro del campo elettrico e potenziale elettrostatico – Campo dipolare – Cenni su fibra muscolare ed elettrocardiogramma – Teorema di Gauss e sue applicazioni – La gabbia di Faraday – Capacità elettrica e condensatore – Intensità di corrente – Cenni sulla struttura elettronica di isolanti, conduttori metallici e semiconduttori – La legge di Ohm – Resistenze in serie e parallelo – Forza elettromotrice – Effetto termico della corrente – Conduzione elettrica nei liquidi – Passaggio della corrente nel corpo umano – Effetto termoionico e fotoelettrico – Campo magnetico e sua azione su correnti e magneti – Legge di Biot-Savart – Teorema della circuitazione di Ampère – Solenoide – Induzione elettromagnetica – Tensione e corrente alternata – Impedenza – Onde elettromagnetiche.
– Radiazioni: Struttura dell’atomo e del nucleo – Numeri quantici, orbitali elettronici e transizioni – Isotopi instabili e radiazione alfa, beta, gamma – Legge del decadimento radioattivo e vita media – Rivelazione delle radiazioni – Applicazioni biomediche dei radioisotopi - Raggi x (produzione, proprietà e meccanismi di assorbimento nella materia) - L'immagine radiologica - Cenni su TAC e NMR - Cenni di radioprotezione.

Bibliografia

A. Giambattista, B. McCarthy Richardson, R. Richardson "Fisica Generale. Principi e Applicazioni" Ed. McGraw-Hill
J.S. Walker : Fondamenti di Fisica - Ed. Pearson
J. Walker : Halliday- Resnick, Fondamenti di Fisica – Ed. Casa editrice Ambrosiana
D. Scannicchio : Fisica Biomedica - Ed. Edises

Metodi didattici

Durante le lezioni frontali verranno illustrati e commentati gli argomenti
contenuti nel programma del modulo. L'enfasi sarà posta sulle
applicazioni dei principi fisici fondamentali alla biologia ed alla medicina,
e si forniranno esempi di come l'applicazione di tali principi possa portare
a formulare previsioni quantitative su fenomeni fisiologici e patologici.
In alcuni casi selezionati, verrà illustarata la dimostrazione di principi
fisici di base, allo scopo di introdurre gli studenti alla pratica del pensiero
logico e del metodo sperimentale.
Su base volontaria, gli studenti potranno partecipare ad attività di
laboratorio volte alla verifica sperimentale di leggi fisiche fondamentali.

Modalità verifica apprendimento

L'accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dal modulo
prevede una prova scritta, consistente principalmente in quesiti a
risposta aperta su argomenti trattati nel corso. In questo modo, verrà
accertata la conoscenza e la comprensione, da parte dello studente, sia
dei principi teorici che delle loro conseguenze in campo medico e
biologico.
La prova scritta prevederà anche la risoluzione di uno o più problemi, per
verificare il raggiungimento dell'obiettivo della capacità di applicare le
conoscenze acquisite ad una situazione simulata di interesse biologico o
medico.
La valutazione collegiale degli elaborati attribuirà lo stesso peso alle
risposte ai quesiti a risposta aperta ed ai problemi proposti.