I.T.T. «G. MARCONI» - PADOVA

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1 I.T.T. «G. MARCONI» - PADOVA Via Manzoni, Padova Tel.: 049/ Fax 49/ marconi@itismarconipadova.it - pdtf02000e@pec.istruzione.it pdtf02000e@istruzione.it - sito: Istituto Tecnico per il Settore Tecnologico PROGRAMMA SVOLTO Rev. 0 MD_PRS01 Data: DOCENTE TURRA STEFANIA I.T.P. VERONESE MARIA GRAZIA MATERIA SCIENZE INTEGRATE: FISICA CLASSE 2 I Testo adottato: L Amaldi Verde: Meccanica e L Amaldi Verde: Termodinamica, Onde, Elettromagnetismo di U. Amaldi Ed. Zanichelli Contenuti: titolo dell'unità didattica con indicazioni puntuali Tipo di attività da svolgere per recuperare contenuti e competenze MECCANICA -Ripasso delle leggi orarie del moto rettilineo uniforme, uniformemente accelerato e circolare uniforme. Ripasso dei principi della dinamica.(argomenti svolti in classe prima) UDA ENERGIA 1) I PRINCIPI DI CONSERVAZIONE - ENERGIA E LAVORO -Il lavoro. -Il lavoro compiuto da una forza non parallela allo spostamento. -Il prodotto scalare. -La potenza. -L energia -L energia cinetica. -L energia potenziale : gravitazionale ed elastica. -La conservazione dell energia meccanica. -La conservazione dell energia totale. - La quantità di moto. -L impulso. - La conservazione della quantità di moto. -Gli urti a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 260 a pag. 279 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica fornita nel corso dell anno scolastico: N 1 LAVORO ED ENERGIA per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO pag Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 1) 1

2 1) LA TEMPERATURA -Il termometro. -Le scale termometriche. -La dilatazione termica. -La dilatazione termica dei solidi e dei liquidi. UDA TERMOLOGIA a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 297 a pag. 302 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica fornita nel corso dell anno scolastico: N 2 TEMPERATURA E CALORE per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO pag Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 2) 2) IL CALORE -La trasmissione di energia mediante il calore e il lavoro. -La capacità termica e il calore specifico. -La legge fondamentale della termologia. -Il calorimetro. -La temperatura di equilibrio termico. -Le sorgenti di calore e il potere calorifico. -Quantità di calore e sua misura. -La propagazione del calore. -I passaggi tra stati di aggregazione. a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 324 a pag. 338 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica fornita nel corso dell anno scolastico: N 2 TEMPERATURA E CALORE per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO pag Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 2) 2

3 1) TERMODINAMICA UDA TERMODINAMICA -L equilibrio dei gas. -L effetto della temperatura sui gas. -Le trasformazioni e le leggi dei gas. -L equazione di stato dei gas perfetti. -Il modello molecolare e cinetico della materia. -Gli scambi di energia. -Il sistema termodinamico. -Le trasformazioni termodinamiche. -Primo principio della termodinamica. -Applicazione del primo principio. -Definizione di calore specifico di un gas a pressione costante e a volume costante. -Macchina termica. -Secondo principio della termodinamica. -Rendimento di una macchina termica ideale. -Rendimento di una macchina termica. a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 350 a pag. 366 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -le lezioni di fisica fornite nel corso dell anno scolastico: N 3 I GAS E LE TRASFORMAZIONI e N 4 TERMODINAMICA per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO nell ebook -Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 3) 1) LE CARICHE ELETTRICHE -Elettrizzazione per strofinio. -Conduttori e isolanti. -Elettrizzazione per contatto. L elettroscopio. -Elettrizzazione per induzione. -La carica elettrica. Il Coulomb. -Conservazione della carica elettrica. -La legge di Coulomb. -La struttura degli atomi. ELETTROMAGNETISMO UDA ELETTROSTATICA a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 410 a pag. 419 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica fornita nel corso dell anno scolastico: N 6 ELETTROSTATICA per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO pag Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 4) 3

4 2) IL CAMPO ELETTRICO E IL POTENZIALE ELETTRICO -Il concetto di campo in generale. Il campo gravitazionale. -Il campo elettrico. -Il vettore campo elettrico. -L energia potenziale elettrica e potenziale elettrico in un punto -Potenziale nel campo generato da una carica puntiforme. -Relazione tra campo e potenziale. -Moto di una carica in un campo elettrico.. -La differenza di potenziale. a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 428 a pag. 437 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica fornita nel corso dell anno scolastico: N 6 ELETTROSTATICA per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 4) UDA CIRCUITI: CARICHE E CORRENTI ELETTRICHE 1) LA CORRENTE ELETTRICA -L intensità della corrente elettrica. -I generatori di tensione. -I circuiti elettrici. -I conduttori metallici. -Le leggi di Ohm. -Resistenze collegate in serie e in parallelo. -Lo studio dei circuiti elettrici. -f.e.m. di un circuito elettrico. -Il calore prodotto dalla corrente elettrica. -La conservazione dell energia. -L effetto Joule a) studiare utilizzando: - il libro di testo da pag. 454 a pag. 470 con le mappe dei concetti presenti nell ebook -la lezione di fisica: N 7 I CIRCUITI ELETTRICI per poter così individuare più facilmente i concetti significativi di ogni UDA (Unità Di Apprendimento) b) -rifare gli esercizi assegnati per casa durante l anno scolastico -rifare tutti i problemi svolti del paragrafo nel libro di testo -rispondere al test I GIOCHI DI ANACLETO nell ebook -Svolgere gli esercizi allegati al presente programma (ALLEGATO 5) ATTIVITA DI LABORATORIO Schede delle esperienze nel quaderno elettronico Piano di esodo e Regolamento di laboratorio. Impulso e quantità di moto, schema di principio e di montaggio e sua analisi. 4

5 L'energia meccanica ed il Principio di conservazione dell'energia meccanica. Quantificazione: a) del Lavoro fatto su un sistema meccanico dalla forza di gravità; b) delle variazioni subite dall energia cinetica e dall energia potenziale del sistema meccanico esaminato. Elaborazione delle misure e calcolo degli errori relativi ed assoluti associati, registrazione corretta delle misure. Analisi dei risultati, rappresentazione delle misure sulla retta e revisione critica dell esperienza. Dilatazione lineare di alluminio, acciaio e ottone: misurazioni dei coefficienti di dilatazione.elaborazione delle misure, calcolo degli errori relativi e assoluti associati ai coefficienti di dilatazione e formalizzazione corretta dei risultati. Esperienza di Callender per determinare la relazione tra lavoro e calore. Recupero e applicazione delle regole di propagazione degli errori. Rappresentazione grafica dei dati ( Q= f (L), analisi dei risultati e riconoscimento del significato fisico della costante di proporzionalità, determinazione delle misure dell equivalente termico del lavoro e dell equivalente meccanico della caloria. Col calorimetro delle mescolanze sfruttando l effetto Joule : relazione tra calore fornito e variazione di temperatura T = f (E) con m = k : montaggio del circuito elettrico di alimentazione ed esecuzione delle misurazioni. Recupero delle abilità di rappresentazione grafica di dati. Analisi guidata dei risultati: determinazione della capacità termica dell acqua attraverso il calcolo del coefficiente angolare. Bilancio energetico di un calorimetro (determinazione del rapporto di conversione j/cal del sistema isolato acqua/calorimetro, sfruttando l effetto Joule e il primo principio della termodinamica. Elaborazione analitica delle misure, applicazione delle regole di propagazione degli errori, analisi e revisione critica dell esperienza. Esperimenti di elettrostatica: elettroscopio, fenomeni di elettrizzazione per strofinio, per contatto, per induzione e riconoscimento della carica indotta. Potere disperdente delle punte, gabbia di Faraday. Generatori elettrostatici: elettroforo di Volta e generatore di Van de Graff. - Caratteristiche degli strumenti elettrici, classe di precisione, errore assoluto massimo e suo calcolo; simboli dei principali elementi circuitali, schemi di circuiti elettrici semplici. - Realizzazione di circuiti elementari - Uso degli strumenti in ordine all effettuazione corretta delle misura e al loro inserimento nel circuito. Misure di intensità di corrente e di differenza di potenziale: verifica della 1 Legge di Ohm. - Elaborazione grafica e analitica delle misure di ddp e I. Applicazione delle regole di propagazione degli errori e calcolo degli errori relativo e assoluto associati alla resistenza, formalizzazione corretta della misura. - Analisi guidata del grafico (V,I): calcolo del coefficiente angolare e riconoscimento del suo significato fisico. Analisi guidata di semplici circuiti : collegamenti di resistenze in serie e in parallelo. Misure di tensione e corrente sulle singole resistenze e ai capi della serie e del parallelo. 5

6 Gli esercizi degli allegati devono essere svolti anche dagli allievi promossi perché propedeutici alla classe successiva. DATA 7/6/2017 I Rappresentanti di classe: firmato I Docenti Prof.ssa Stefania Turra Prof.ssa M. Grazia Veronese 6

7 ALLEGATO 1 1) Calcolate il lavoro compiuto nella spinta di un carrello di 3 m con una forza costante di 150 N avente la stessa direzione dello spostamento. 2) Un operatore tira un carrello per mezzo di una fune formante un angolo di 60 col piano orizzontale su cui si sposta il carrello. Calcolate lo spostamento del carrello se l operatore compie un lavoro di 400 J impiegando una forza di 100 N. 3) Uno studente tira un vagone su una rotaia per mezzo di una fune formante un angolo di 45 con l orizzontale. La forza esercitata è di 400 N e il vagone si muove di 2 m. Calcolate il lavoro compiuto. 4) Un blocco di 5 kg di massa viene innalzato di 2 m in 3 secondi. Calcolare il lavoro effettuato e la potenza. 5) Una slitta viene trascinata per 8 m lungo il suolo. La forza applicata alla slitta, mediante una corda, è di 75 N e l angolo fra la corda e il terreno è di 30. Trovare il lavoro realizzato. 6) Una pistola di massa 0,3 kg spara un proiettile di massa 20 g alla velocità di 700 m/s. Calcolare la velocità di rinculo della pistola. 7) Un corpo di massa 20 kg è spinto verso l alto, lungo una salita, da una forza costante. Durante la salita il corpo mantiene una accelerazione costante di 0,6 m/s 2. Calcolare il lavoro compiuto dalla forza in 80 s e la potenza sviluppata. Si trascurino gli attriti e si supponga la pendenza di 30. Considerare il corpo inizialmente fermo. 8) Ad un corpo puntiforme di massa 5 kg, in moto con velocità v 1 = 3 m/s, viene applicata per 10 s una forza che agisce nella stessa direzione del moto e compie un lavoro di 150 J. Calcolare la velocità raggiunta dal corpo dopo i 10 s, il valore della forza e lo spazio percorso. 9) La pallina da tennis della figura ha una massa di 50 g. Arriva nel punto A con una velocità di 10 m/s, scende lungo il piano inclinato senza attrito, passa per il punto B e arriva nel punto C. Nel tratto orizzontale BC, lungo 10 m, sulla pallina agisce una forza di attrito di 0,5 N. a) Calcola l energia meccanica della pallina nel punto A b) Con quale velocità la pallina arriva nel punto B? c) Calcola l energia cinetica della pallina nel punto C 10) Un ragazzo spinge il suo banco per 2, 5 m sul pavimento dell aula, privo di attrito, con una forza di 50 N. Quanto lavoro compie il ragazzo se la forza applicata è. a. orizzontale b. inclinata di 45 rispetto al pavimento? Prof.ssa S. Turra 7

8 ALLEGATO 2 1) A che temperatura, in gradi Fahrenheit, corrisponde una temperatura di 245 K? 2) Un asta di metallo si allunga dello 0,2% per un aumento di temperatura di 250 K. Qual è il coefficiente di dilatazione lineare e cubica del metallo in questione? 3) Un recipiente cilindrico alto 30 cm, la cui area di base risulta 110cm 2, è riempito fino a metà di glicerina ( = 0,53 x 10-3 K -1 ). La temperatura del recipiente e del liquido passa dagli iniziali 350 K a 420 K. Trascurando la dilatazione del recipiente, determina il livello finale del liquido. 4) L acqua di uno scaldabagno da 80 litri è portata da 15 C a 90 C. Qual è la quantità di calore, espressa in joule, occorrente per fare tale operazione? Se lo scaldabagno ha una potenza di 2 KW, per quante ore lo scaldabagno resta in funzione? 5) Si mescolano due quantità di acqua m 1 = 100 g e m 2 =200 g alle temperature rispettive t 1 = 20 C e t 2 = 100 C. Quale sarà la temperatura di equilibrio? Quanto il calore assorbito dall acqua fredda? (Ris. 73 C) 6) Si mescolano due quantità d acqua di cui m 1 = 250 g è inizialmente alla temperatura di 20 C. La temperatura finale di equilibrio è di 50 C. Quanti grammi di acqua calda si devono versare alla temperatura di 80 C? A quale temperatura dovrebbe essere versata una quantità d acqua di 500g? (Ris. 250 g, 65 C) 7) In un calorimetro con 100 g di acqua fredda alla temperatura di 20 C viene versata una massa metallica di 200 g alla temperatura di 100 C. La temperatura di equilibrio è di 25 C. Le pareti del calorimetro sono equivalenti ad una massa d acqua aggiuntiva di 40 g. Calcolare il calore specifico e la capacità termica della lega metallica (Ris. 0,195 J/g K) 8) Due sostanze di calore specifico e massa rispettivamente: c 1 = 300 J/kg K, m1=200 g, c 2 = 500 J/kgK, m 2 = 100 g, inizialmente alle temperature t 1 = 20 C e t 2 = 40 C, vengono messe a contatto fino a raggiungere la temperatura di equilibrio. Determinare tale temperatura. Ricavare il calore ceduto dal corpo caldo e verificare che è pari al calore assorbito dal corpo freddo. (Ris. 29,1 C) 9) 10 g di ghiaccio a 10 C sono riscaldati con un calore di 6000 J. Calcolare la temperatura finale del ghiaccio, nel frattempo divenuto acqua. (c ghiaccio =2090J/kgK e Lf = 334 J/g) (Ris. 53,5 C) 10) Calcolare la quantità di calore necessaria a scaldare 1 g di ghiaccio dalla temperatura di -20 C alla temperatura di +20 C. (Ris. 501,6 J) 11) Da una bombola contenente ossigeno a 27 C viene fatto uscire del gas mantenendo costanti il volume e la pressione finchè il numero di molecole non si è ridotto di un fattore 2/3. Quanto vale la nuova temperatura del gas? Prof.ssa S. Turra 8

9 ALLEGATO 3 ESERCIZI DI TERMODINAMICA: 1 PRINCIPIO 1)Un gas perfetto biatomico con volume e pressione iniziali V o = 2l e P o = 1 atm, triplica il suo volume eseguendo una trasformazione reversibile che, nel piano P-V, è rappresentata da un segmento di retta di equazione P=KV.(vedi figura) Si calcoli: La variazione di energia interna, il lavoro e il calore scambiati durante la trasformazione SOLUZIONE La costante K che compare nell equazione della retta, deve avere valore ½ Equazione di stato dei gas perfetti PV = nrt Stato A Stato B Pressione (atm) 1 3 Volume (l) 2 6 Temperatura (K) 2/nR 18/nR Variazione di energia interna U= = =40 l*atm = 40 x 10 2 J Lavoro (positivo ) Basta calcolare l area del trapezio indicato in figura 8 l*atm Prof.ssa S. Turra 9

10 Calore Poiché Q = L + U Il calore scambiato è pari a 48 l*atm = 45 x 10 2 J. Soluzione alla pagina seguente: Prof.ssa S. Turra 10

11 Si comprime l aria dentro una pompa da bicicletta, esercitando sullo stantuffo una forza di 40 N e spostandolo di 20 cm. Attraverso la parete della pompa esce una quantità di calore di 3 J. Di quanto varia l energia interna contenuta nella pompa Si consideri una macchina termica ideale con rendimento del 65%. Questa macchina termica lavora tra due sorgenti: la sorgente fredda è a temperatura 20 C. a) Qual è la temperatura della sorgente calda? b) quanto lavoro riesce a compiere la macchina termica se il calore assorbito è 1000 J? c) Se la macchina produce in un ciclo una potenza di 80 kw, quanta potenza assorbe? Una macchina termica ciclica fornisce lavoro prelevando calore dalla sorgente calda, alla temperatura di 500 C, e scaricando il calore degradato nel serbatoio freddo, alla temperatura di 70 C. d) Qual è il rendimento ideale della macchina? e) Qual è il rendimento reale sapendo che è 1/4 di quello ideale? Prof.ssa S. Turra 11

12 (P cal benzina = 11000Cal/kg, La densità della benzina è 734 kg/m 3 ) Prof.ssa S. Turra 12

13 ALLEGATO 4 1. Due cariche rispettivamente di 10 n C e di + 2 n C vengono messe a contatto poi allontanate a 30 cm di distanza. a) Quanto vale ogni carica dopo il contatto? b) Qual è l intensità della forza fra le cariche? 2. Calcolare, dopo averla rappresentata graficamente, la forza esercitata su una carica puntiforme di +4x10-8 C, posta nel punto di mezzo del segmento che congiunge due cariche puntiformi di -20x10-8 e +5x10-8 C, distanti fra loro 20 cm. 3. Su un protone, agisce una forza elettrica la cui intensità è 8x10-16 N. a) Se il protone è libero di muoversi, sapendo che la sua massa è circa 1,6 x kg qual è la sua accelerazione? b) Quanto spazio percorrerà in 2 x 10-7 secondi? 4. Un corpo carico A cede per contatto 35 miliardi di elettroni al corpo neutro B. Qual è,in Coulomb, la carica trasferita? Qual è il segno della carica di B, dopo aver ricevuto gli elettroni? 5. Ad un vertice A di un rettangolo di 3x4 cm si pone una carica di -20x10-12 C, e ai due vertici adiacenti, B e D, si pongono cariche di +10x10-12 C. Calcolare la forza elettrica agente sulla carica posta sul vertice A. 6. Quanto lavoro W si richiede per trasportare una carica di 5x10-8 C da un punto nell aria avente un potenziale pari a 4x10-6 V ad un altro punto avente un potenziale pari a 20x10-6 V? Prof.ssa S. Turra 13

14 ALLEGATO 5 1. Una stufa elettrica di 8 ohm assorbe 15 A dalla rete di servizio. Calcola la potenza sviluppata in Watt e in cal/s. Se il costo per ogni kilowattora è di 0,18 e si spendono 3,6 al giorno, calcola quanto tempo resta accesa la stufa. 2. Calcolare la resistenza di una sbarra di rame temperato lunga 1 m e del diametro di 8 mm, se la resistività del materiale è 1,756 x 10-8 ohm x m. 3) Per il circuito riprodotto in figura, determinare la resistenza equivalente e la corrente I che circola nella batteria. 4) Un riscaldatore elettrico ha una potenza di 1000 W e funziona a 220 V. Se il riscaldatore è immerso in un recipiente isolato che contiene 20,0 kg di acqua, di quanto aumenta la temperatura dell acqua in 5,0 minuti? Si assuma che il 100% del calore sia assorbito dall acqua. Quanto vale la resistenza elettrica del riscaldatore? 5) Quattro resistenze sono disposte come nella figura seguente e alimentate da una differenza di potenziale di 210 V. R 1 = 100 Ω R 2 = 20 Ω R 3 = 60 Ω R 4 = 10 Ω ΔV = 210 V Calcolare: a. la resistenza equivalente del circuito b. il valore della d.d.p. che misurerebbe il voltmetro ai capi di R 1 c. il valore che misurerebbe l amperometro inserito nel ramo di R 2 Prof.ssa S. Turra 14