54798 - LABORATORIO DI ELETTROMAGNETISMO E OTTICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze di base sui circuiti in corrente continua, sui circuiti RLC sia in regime transitorio che sinusoidale e sui fenomeni di interferenza e diffrazione della luce. Conosce i fondamenti della programmazione grafica in ambiente LabVIEW ed è in grado di sviluppare semplici programmi di acquisizione dati. Con l’utilizzo di ROOT, un framework per l’analisi dati Object Oriented in C++, apprende le basi della generazione Monte Carlo di distribuzioni fisiche e dell’analisi dati in termini di loro selezione, rappresentazione e adattamento a una ipotesi. Infine, mediante l’esecuzione di diverse esperienze di laboratorio sviluppa abilità di base nell’ambito delle misure elettriche e ottiche, dell’acquisizione, analisi e simulazione dati e la capacità di esporre i risultati sperimentali in forma scritta e orale.

Programma/Contenuti

Modulo 1 (Laboratorio di elettromagnetismo e ottica), 2° semestre

Premessa: gli argomenti svolti a lezione sono propedeutici alle esercitazioni di laboratorio.

1) Fondamenti e leggi di Kirchhoff - richiami

Circuiti elettrici concentrati ed elementi costituenti: bipoli, tripoli, quadripoli. Nodi e sequenze di nodi. Legge di Kirchhoff delle correnti (LKC) e legge di Kirchhoff delle tensioni (LKT).

Riferimento: Perfetti, cap. 1

2) Bipoli resistivi

Resistori e legge di Ohm. Generatori indipendenti di tensione. Generatori ideali. Bipoli in serie. Partitore di tensione. Bipoli in parallelo. Partitore di corrente. Resistori in serie ed in parallelo. Resistenza equivalente. Misure di tensione e di corrente, conseguenze della resistenza interna di voltmetri e amperometri.

Riferimento: Perfetti, cap 2.

3) Condensatore e induttore

Relazioni caratteristiche, proprietà e comportamento energetico. Condensatori e induttori reali. Collegamento in serie e parallelo.

Riferimento: Perfetti: cap. 6

4) Circuiti del primo ordine

Circuiti RC ed RL in evoluzione libera, costante di tempo. Circuiti con generatore costante.

Riferimento: Perfetti: cap. 7

5) Circuiti del secondo ordine

Circuiti RLC serie e parallelo in evoluzione libera. Sovrasmorzamento, sottosmorzamento e smorzamento critico. Frequenze naturali nel piano complesso. Circuito RLC serie con generatore costante.

Riferimento: Perfetti: cap 8

6) Circuiti RLC in regime sinusoidale

Sinusoidi e fasori. Risposta ad un ingresso sinusoidale: analisi con l'equazione differenziale e con fasori. Legge di Ohm simbolica per i fasori, impedenza e ammettenza di resistori, induttori e condensatori. Analisi nel dominio dei fasori. Bipoli in serie e parallelo: combinazione di impedenza ed ammettenza.

Riferimento: Perfetti: cap. 9

7) Risposta in frequenza.

Funzioni di rete di trasferimento. Proprietà filtranti dei circuiti. Cenno ai circuiti passa basso, passa alto, passa banda ed elimina banda. Circuiti RLC risonanti parallelo e serie.

Riferimento: Perfetti: cap. 13

8) L’oscilloscopio

Tubo a raggi catodici. Sensibilità statica e dinamica, banda passante. Amplificazione verticale. Deflessione orizzontale, dente di sega. Trigger. Gli oscilloscopi digitali.

Riferimento: Bava, Galzerano, Norgia, Ottoboni e Svelto

9) Caratteristiche della strumentazione utilizzata in laboratorio

Generatori di funzione. Multimetri digitali. Oscilloscopio. Sorgenti coerenti ed incoerenti. Lunghezze di coerenza longitudinali e trasversali. Laser, elementi costruttivi e cenno al meccanismo fisico di funzionamento. Rivelatori di radiazione. Fotodiodi, loro collegamento in circuito aperto e polarizzazione inversa.

Riferimento: Boscherini Strumenti

 

Modulo 2 (Root), 1° semestre

  • Richiamo dei principali concetti della Programmazione a Oggetti in C++ : coding conventions, classi, metodi e attributi, incapsulamento. Aggregazione ed ereditarietà. Polimorfismo.
  • Applicazioni del framework ROOT in un contesto di programmazione a oggetti finalizzato alla simulazione e all’analisi di dati, con esempi focalizzati sulle prove di laboratorio che si svolgeranno nel secondo semestre (Modulo I):

-Approfondimenti ed esercitazioni su istogrammi (THx), grafici (TGraph), funzioni (TFx), sistema di persistenza di ROOT (TFile). Adattamento di dati sperimentali a un modello con ROOT (fit lineari e non lineari).

–Applicazione dei metodi Monte Carlo di ROOT per la generazione di distribuzioni fisiche e parametrizzazione degli effetti dell’apparato di misura e rivelazione (risoluzione, efficienza)

– Applicazioni avanzate di ROOT: Le collection classes di ROOT (TList) e strutture dati di tipo n-tuple (TTrees)

Modulo 3 (LabVIEW), 1° semestre

  • Il linguaggio di programmazione grafica LabVIEW

    Introduzione a LabVIEW: i Virtual Instruments (VI) e il paradigma del dataflow. Front panel, block diagram, controlli, indicatori, costanti e funzioni. Tipi di dato numerico, booleano, stringa; Array, Clusters e Type definitions. I cicli: While loop, For loop, Tunnels e Shift Registers. Strutture decisionali: Case Structure, Event Structure; Polling vs Event-driven programming. Modularità: i SubVIs. Lettura e scrittura di file in LabVIEW. Programmazione sequenziale. Macchina a stati. Uso delle variabili locali e globali: race conditions. Comunicazione dati fra cicli paralleli: code e notifier.

  • Acquisizione dati

Architettura generale di un dispositivo per acquisizione dati (DAQ device). La catena di misura. Convertitori Anologico-Digitale (ADC). Bus di comunicazione. Modalità di connessione segnali al dispositivo. Il campionamento: Teorema di Nyquist e aliasing. Acquisizione dati con buffer, circolare e non. Trigger. Libreria DAQ-mx in LabvIEW.

 

Testi/Bibliografia

Modulo 1 (Laboratorio di elettromagnetismo e ottica)

  • Renzo Perfetti, Circuiti Elettrici, Zanichelli, 2013.
  • Copia delle slides utilizzate a lezioni, reperibili sul sito campus.unibo.it (ricerca con nome docente “Federico Boscherini”)
  • Elio Bava, Gianluca Galzerano, Michele Norgia, Roberto Ottoboni e Cesare Svelto, Misure elettroniche di laboratorio, Pitagora Editrice, 2005.

Modulo 2 (Root)

Disponibile su campus.unibo.it (ricerca con nome docente=”Silvia Arcelli”):

  • Materiale ufficiale di ROOT (User guide, Reference guide) dal sito http://root.cern.ch [http://root.cern.ch/] ; The ROOT primer: https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/primer/ROOTPrimer.html
  • Diapositive delle lezioni ed esempi di codice ROOT svolti a lezione

Modulo 3 (LabVIEW)

Disponibile su campus.unibo.it (ricerca con nome docente=”Luca Pasquini”):

  • Materiale didattico ufficiale di National Instruments per l’apprendimento di LabVIEW, “LabVIEW Core 1” e “LabVIEW Core 2”
  • Diapositive “DAQ&LabVIEW” per la parte di acquisizione dati

Metodi didattici

Per tutti i moduli: lezioni frontali e esercitazioni di laboratorio. La frequenza al laboratorio è obbligatoria. Vengono forniti dettagli sulle esercitazioni di laboratorio per ogni modulo.

Modulo 1 (Laboratorio di elettromagnetismo e ottica)

Verranno svolte due esercitazioni in cui gli studenti lavoreranno in coppie; per entrambi è richiesta la redazione di una relazione scritta secondo uno schema standard, che dovrà essere consegnata da ciascuno studente in formato PDF mediante invio a casella di posta elettronica istituzionale dedicata. La prima esercitazione (in una singola mattinata) può riguardare misure di ottica o la verifica della legge di Faraday; per questa esercitazione verrà richiesta una relazione scritta breve. La seconda esercitazione comporta la progettazione di un semplice circuito, la sua realizzazione su breadboard Elvis, l’esecuzione di misure in ambiente LabView e l’analisi dei dati, il tutto a discrezione degli studenti; per questa esercitazione, che comporta la frequenza in laboratorio per circa tre volte, è richiesta una relazione scritta più lunga. La seconda esercitazione sarà oggetto anche di una presentazione individuale mediante PC e proiettore.

Modulo 2 (Root)

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali gli studenti, individualmente, realizzeranno un programma C++ di simulazione e analisi dati, utilizzando la programmazione a oggetti e le funzioni di simulazione Monte Carlo e di analisi dati di ROOT. Lo studente dovrà completare il programma e fare una relazione che dovrà essere consegnata da ciascuno studente entro 30 giorni dalla conclusione dei turni di laboratorio, in formato PDF mediante invio a casella di posta elettronica, seguendo uno schema fornito dal docente e includendo il listato del codice C++/ROOT.

Modulo 3 (LabVIEW)

Verranno svolte tre prove di laboratorio durante le quali gli studenti, lavorando in coppia, dovranno sia realizzare semplici circuiti su scheda ELVIS II sia sviluppare un programma di acquisizione e analisi dati in LabVIEW. I temi delle tre prove sono: 1) Misura della code width e del noise di ELVIS II, acquisizione bufferizzata, teorema del campionamento di Nyquist; 2) Legge di Ohm e circuiti resistivi in corrente continua; 3) regimi transitori in circuiti RC.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Il voto finale è la media pesata dei voti conseguiti nei tre moduli, secondo la seguente formula: V(fin)= 0.5 × V(mod1) + 0.308 × V(mod2) + 0.192 × (Vmod3). Per la lode finale è richiesta la lode su almeno due dei tre moduli.

L’esame dei moduli 2 e 3 si può svolgere in qualunque ordine temporale; l’esame orale (presentazione) del modulo 1 deve essere svolto per ultimo e darà luogo alla verbalizzazione del voto complessivo.

Modulo 1 (Laboratorio di elettromagnetismo e ottica)

Il voto del modulo 1, V(mod1), è uguale alla somma pesata di tre valutazioni numeriche, ognuna delle quali è compresa tra 0 e 3.

  1. Valutazione (A) di una relazione scritta di massimo 2 pagine sulle misure di ottica o sulla verifica della legge di Faraday (a seconda di quale è stata svolta). Consegna entro una settimana dallo svolgimento della esercitazione.
  2. Valutazione (B) di una relazione scritta di massimo 6 pagine sull’esperienza sui circuiti realizzata. Consegna entro la fine del periodo di lezioni.
  3. Valutazione (C) della presentazione orale con ausilio di PC e proiettore della esperienza sui circuiti (durata massima di 15 minuti) e successiva discussione con i docenti.

Il voto finale del modulo 1 è dato da V(mod1) = A + 3B + 7C, con un massimo di 30. L’esame è superato se A + 3B + 7C >= 18. Per la lode è richiesto che A + 3B + 7C > 30.

Modulo 2 (Root)

Alle relazioni viene dato un punteggio A da 0 a 5. La verifica finale consiste in una prova scritta di 4 quesiti in cui si chiede allo studente di scrivere parti di codice che utilizzano le funzionalità di ROOT illustrate durante il modulo. La prova scritta dà un punteggio massimo B pari a 28. Il voto finale del modulo è dato da C = A+B. L’esame è superato se C>=18. Per la lode è richiesto C>30.

Modulo 3 (LabVIEW)

Durante la seconda e terza prova di laboratorio, lo studente deve redigere una relazione, seguendo uno schema fornito dal docente, in cui siano riportati il codice del programma sviluppato, i risultati sperimentali e la loro analisi. Le relazioni devono essere consegnate in formato PDF al termine delle prove e ad esse viene dato un punteggio A da 0 a 4. La verifica finale consiste in una prova scritta di 11 brevi domande, sia a risposta multipla sia libere, su tutti i contenuti del modulo, che dà un punteggio massimo B pari a 33. L’esame è superato se B>=18; il voto finale del modulo è dato da C = A+B, con un massimo di 30. Per la lode è richiesto C > 33 e A > =3.

Strumenti a supporto della didattica

Laboratori informatici, di ottica e di elettronica.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Federico Boscherini

Consulta il sito web di Nicoletta Mauri

Consulta il sito web di Silvia Arcelli

Consulta il sito web di Luca Pasquini