Indice. 2 Moto in una dimensione 2.1 Spostamento e velocità Accelerazione Moto uniformemente accelerato 37 2.

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1 Indice Prefazione XI 1 Misura e vettori 1.1 Le origini della fisica Unità di misura Conversione di unità di misura Dimensioni delle grandezze fisiche Cifre significative e ordini di grandezza Vettori Proprietà generali dei vettori 14 Un minuto di 61 secondi 21 RIEPILOGO 22 PROBLEMI 23 Parte I MECCANICA 2 Moto in una dimensione 2.1 Spostamento e velocità Accelerazione Moto uniformemente accelerato Integrazione 47 Acceleratori lineari 51 RIEPILOGO 52 PROBLEMI 53

2 IV Indice Moto in due e tre dimensioni 3.1 Spostamento, velocità e accelerazione Moto di un proiettile Moto circolare 78 GPS: vettori calcolati durante il moto 82 RIEPILOGO 83 PROBLEMI 84 4 Le leggi di Newton 4.1 La prima legge di Newton Forza e massa La seconda legge di Newton Forza di gravità e peso Forze di contatto Diagrammi di corpo libero La terza legge di Newton Problemi con due o più corpi 111 Montagne russe e velocità 114 RIEPILOGO 115 PROBLEMI Ulteriori applicazioni delle leggi di Newton 5.1 Attrito Forze di resistenza Moto su traiettoria curvilinea 141 * 5.4 Integrazione numerica: metodo di Eulero Centro di massa 149 Ricostruzione di un incidente: misure e forze 158 RIEPILOGO 159 PROBLEMI 160

3 Indice V 6 Lavoro ed energia cinetica 6.1 Lavoro compiuto da una forza costante Lavoro compiuto da una forza variabile (moto rettilineo) Prodotto scalare Teorema del lavoro e dell energia cinetica (traiettoria curvilinea) 188 * 6.5 Lavoro e moto del centro di massa 190 Montagne russe e bagagli 193 RIEPILOGO 194 PROBLEMI Conservazione dell energia 7.1 Energia potenziale Conservazione dell energia meccanica Conservazione dell energia Massa ed energia Quantizzazione dell energia 231 Processi dissipativi nelle turbine eoliche 233 RIEPILOGO 234 PROBLEMI Conservazione della quantità di moto 8.1 La quantità di moto e la sua conservazione Energia cinetica di un sistema Urti 255 * 8.4 Urti nel riferimento del centro di massa Massa variabile e propulsione a reazione 273 Motori a reazione più veloci... e rumorosi! 277 RIEPILOGO 278 PROBLEMI 279

4 VI Indice Moto rotatorio 9.1 Velocità e accelerazione angolare Energia cinetica rotazionale Calcolo del momento d inerzia La seconda legge di Newton per il moto rotatorio Applicazioni della seconda legge di Newton per il moto rotatorio Rotolamento 310 Centrifughe velocissime 316 RIEPILOGO 317 PROBLEMI Momento angolare 10.1 Natura vettoriale del moto rotatorio Momento di una forza e momento angolare Conservazione del momento angolare 341 * 10.4 Quantizzazione del momento angolare 350 Momento angolare atmosferico 353 RIEPILOGO 354 PROBLEMI 355 R Relatività speciale R.1 Postulati di Einstein 364 R.2 Righelli in moto 366 R.3 Orologi in moto 367 R.4 Ancora righelli in moto 370 R.5 Orologi distanti e simultaneità 371 R.6 Quantità di moto, massa ed energia relativistiche 375 RIEPILOGO 377 PROBLEMI 378

5 Indice VII 11 Gravitazione 11.1 Le leggi di Keplero Legge di gravitazione universale Energia potenziale gravitazionale Campo gravitazionale 398 * 11.5 Campo gravitazionale di un guscio sferico 404 Lenti gravitazionali: una finestra sull universo 406 RIEPILOGO 407 PROBLEMI Equilibrio statico ed elasticità 12.1 Condizioni di equilibrio Il centro di gravità Esempi di equilibrio statico Equilibrio statico in un riferimento accelerato Stabilità dell equilibrio rotazionale Problemi indeterminati Sforzi e deformazione 429 Nanotubi di carbonio: piccoli e potenti 432 RIEPILOGO 433 PROBLEMI Meccanica dei fluidi 13.1 Densità Pressione in un fluido Spinta di Archimede e principio di Archimede Dinamica dei fluidi 458 Aerodinamica e automobilismo 468 RIEPILOGO 469 PROBLEMI 470

6 VIII Indice Parte II OSCILLAZIONI E ONDE 14 Oscillazioni 14.1 Oscillatore armonico semplice Energia nel moto armonico semplice Esempi di sistemi oscillanti Oscillazioni smorzate Oscillazioni forzate e risonanza 501 Al ritmo del Millennium Bridge 506 RIEPILOGO 507 PROBLEMI Propagazione di onde 15.1 Introduzione Onde periodiche Onde in tre dimensioni Onde e ostacoli Effetto Doppler 538 Bacini sedimentari e risonanza delle onde sismiche 544 RIEPILOGO 545 PROBLEMI Sovrapposizione e onde stazionarie 16.1 Sovrapposizione di onde Onde stazionarie 564 * 16.3 Argomenti facoltativi 572 Architettura e acustica 576 RIEPILOGO 577 PROBLEMI 578

7 Indice IX Parte III TERMODINAMICA 17 Temperatura e teoria cinetica dei gas 17.1 Equilibrio termico e temperatura Termometri a gas e temperatura assoluta Equazione di stato dei gas perfetti Teoria cinetica dei gas 598 Termometri molecolari 608 RIEPILOGO 609 PROBLEMI Calore e primo principio della termodinamica 18.1 Capacità termica e calore specifico Cambiamenti di stato e calore latente Primo principio della termodinamica Energia interna di un gas perfetto Lavoro e diagramma PV per un gas Capacità termiche dei gas Capacità termiche dei solidi Limiti del teorema di equipartizione dell energia Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche di un gas 639 Respirometria 643 RIEPILOGO 644 PROBLEMI Secondo principio della termodinamica 19.1 Macchine termiche e secondo principio della termodinamica Macchine refrigeranti e secondo principio della termodinamica Macchina di Carnot 661 * 19.4 Pompe di calore Irreversibilità, disordine ed entropia Entropia e capacità di compiere lavoro Entropia e probabilità 677 L eterna ricerca del moto perpetuo 679 RIEPILOGO 680 PROBLEMI 681

8 X Indice Processi termici e relative proprietà 20.1 Dilatazione termica Equazione di van der Waals e isoterme liquido-vapore Diagrammi di fase Trasmissione di calore 698 Isole di calore: notti calde in città 710 RIEPILOGO 711 PROBLEMI 712 APPENDICE A Unità SI e fattori di conversione 717 APPENDICE B Dati numerici 719 APPENDICE C Tavola periodica degli elementi 723 Compendio di matematica 725 M.1 Cifre significative 725 M.2 Equazioni 726 M.3 Proporzionalità diretta e inversa 728 M.4 Equazioni di primo grado (lineari) 729 M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione 730 M.6 Potenze e logaritmi 732 M.7 Geometria 735 M.8 Trigonometria 736 M.9 Sviluppo binomiale 742 M.10 Numeri complessi 743 M.11 Calcolo differenziale 745 M.12 Calcolo integrale 752 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari 755 Indice analitico 779 Tavole 787

9 Indice Prefazione IX Parte IV ELETTROMAGNETISMO 21 Il campo elettrico: distribuzioni discrete di carica 21.1 La carica Conduttori e isolanti La legge di Coulomb Il campo elettrico Linee di campo elettrico Azione del campo elettrico sulle cariche 738 Vernici elettrostatiche in polvere 743 RIEPILOGO 744 PROBLEMI 745 * 22 Il campo elettrico: distribuzioni continue di carica 22.1 Calcolo del campo con la legge di Coulomb 752 E S 22.2 La legge di Gauss Uso della simmetria per calcolare con la legge di Gauss Discontinuità di E n Carica e campo su superfici di conduttori Equivalenza della legge di Gauss e della legge di Coulomb in elettrostatica 777 Distribuzioni di carica e sensazioni piccanti 778 E S RIEPILOGO 779 PROBLEMI 780

10 IV Indice Il potenziale elettrico 23.1 Differenza di potenziale Potenziale dovuto a un sistema di cariche puntiformi Calcolo del campo elettrico dal potenziale Calcolo di V per distribuzioni continue di carica Superfici equipotenziali Energia potenziale elettrostatica 811 I fulmini: campi di attrazione 815 RIEPILOGO 816 PROBLEMI Capacità 24.1 Capacità e condensatori L immagazzinamento dell energia elettrica Condensatori, batterie e circuiti Dielettrici I dielettrici dal punto di vista molecolare 848 L evoluzione dei condensatori 852 RIEPILOGO 853 PROBLEMI Corrente elettrica e circuiti a corrente continua 25.1 La corrente e il moto delle cariche Resistenza e legge di Ohm Energia nei circuiti elettrici Combinazioni di resistori Leggi di Kirchhoff Circuiti RC 892 I sistemi elettrici delle automobili: le innovazioni 898 RIEPILOGO 899 PROBLEMI 901

11 Indice V 26 Il campo magnetico 26.1 Forza esercitata dal campo magnetico Moto di una carica puntiforme in un campo magnetico Momenti su spire di corrente e magneti Effetto Hall 928 Terra e Sole: variazioni del campo magnetico 932 RIEPILOGO 933 PROBLEMI Sorgenti del campo magnetico 27.1 Campo magnetico dovuto a cariche puntiformi in moto Campo magnetico dovuto a correnti: legge di Biot-Savart Legge di Gauss per il magnetismo Legge di Ampère Il magnetismo nella materia 961 Solenoidi al lavoro 971 RIEPILOGO 972 PROBLEMI Induzione magnetica 28.1 Il flusso magnetico Fem indotta e legge di Faraday Legge di Lenz Fem mozionale Le correnti parassite Induttanza Energia magnetica 1001 * 28.8 Circuiti RL Proprietà magnetiche dei superconduttori 1007 Le promesse dei superconduttori 1009 RIEPILOGO 1010 PROBLEMI 1011

12 VI Indice Circuiti a corrente alternata 29.1 Corrente alternata in un resistore Induttori e condensatori nei circuiti a corrente alternata 1023 * 29.3 Il trasformatore 1028 * 29.4 Circuiti LC e RLC senza generatore 1031 * 29.5 Fasori 1034 * 29.6 Circuiti RLC alimentati 1035 La distribuzione dell energia elettrica 1043 RIEPILOGO 1044 PROBLEMI Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche 30.1 La corrente di spostamento di Maxwell Le equazioni di Maxwell Equazione d onda per le onde elettromagnetiche Radiazione elettromagnetica 1064 Trasmissioni senza fili e frequenze utilizzabili 1073 RIEPILOGO 1074 PROBLEMI 1076 Parte V LUCE 31 Proprietà della luce 31.1 Velocità della luce Propagazione della luce Riflessione e rifrazione Polarizzazione Derivazione delle leggi della riflessione e della rifrazione Dualità onda-particella Spettri della luce 1106 * 31.8 Sorgenti della luce 1107 Vortici ottici e pinze ottiche: la luce al lavoro 1114 RIEPILOGO 1115 PROBLEMI 1116

13 Indice VII 32 Formazione di immagini 32.1 Specchi Lenti 1134 * 32.3 Aberrazioni 1147 * 32.4 Strumenti ottici 1148 Evoluzione della chirurgia oculistica 1157 RIEPILOGO 1158 PROBLEMI Interferenza e diffrazione 33.1 Differenza di fase e coerenza Interferenza negli strati sottili Pattern d interferenza per due fessure Pattern di diffrazione per una fessura singola 1175 * 33.5 Uso dei fasori per sommare onde armoniche Diffrazione di Fraunhofer e di Fresnel Diffrazione e risoluzione 1186 * 33.8 Reticoli di diffrazione 1188 Gli ologrammi: interferenza guidata 1191 RIEPILOGO 1192 PROBLEMI 1193 APPENDICE A Unità SI e fattori di conversione A.1 APPENDICE B Dati numerici A.3 APPENDICE C Tavola periodica degli elementi A.6 Compendio di matematica A.9 M.1 Cifre significative A.9 M.2 Equazioni A.10 M.3 Proporzionalità diretta e inversa A.12 M.4 Equazioni di primo grado (lineari) A.13 M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14 M.6 Potenze e logaritmi A.16 M.7 Geometria A.19

14 VIII Indice M.8 Trigonometria A.20 M.9 Sviluppo binomiale A.26 M.10 Numeri complessi A.27 M.11 Calcolo differenziale A.29 M.12 Calcolo integrale A.36 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari A.39 Indice analitico A.59 Tavole A.68

15 Indice Prefazione VII Parte VI FISICA MODERNA 34 Dualità onda-particella e fisica quantistica 34.1 Onde e particelle Luce: da Newton a Maxwell Natura particellare della luce: fotoni Quantizzazione dell energia negli atomi Onde di elettroni e di materia Interpretazione della funzione d onda Dualità onda-particella Una particella in una scatola Valori di aspettazione Quantizzazione dell energia in altri sistemi 1222 RIEPILOGO 1224 PROBLEMI Applicazioni dell equazione di Schrödinger 35.1 L equazione di Schrödinger Singola particella in un potenziale finito a buca quadrata Oscillatore armonico Riflessione e trasmissione di onde di elettroni: penetrazione attraverso una barriera Equazione di Schrödinger in tre dimensioni Equazione di Schrödinger per due particelle identiche 1246 RIEPILOGO 1249 PROBLEMI 1250

16 IV Indice Atomi 36.1 L atomo Il modello di Bohr per l atomo di idrogeno Teoria quantistica degli atomi Teoria quantistica dell atomo di idrogeno Effetto spin-orbita e struttura fine La tavola periodica Spettri ottici e spettri dei raggi X 1277 RIEPILOGO 1281 PROBLEMI Molecole 37.1 Legami molecolari Molecole poliatomiche Livelli energetici e spettri di molecole biatomiche 1297 RIEPILOGO 1304 PROBLEMI Solidi 38.1 Struttura dei solidi Descrizione microscopica della conduzione Elettroni liberi in un solido Teoria quantistica della conduzione elettrica Teoria a bande dei solidi Semiconduttori Giunzioni e dispositivi a semiconduttore Superconduttività Distribuzioni di Fermi-Dirac 1335 RIEPILOGO 1339 PROBLEMI 1341

17 Indice V 39 Relatività 39.1 Relatività newtoniana Postulati di Einstein Trasformazione di Lorentz Sincronizzazione degli orologi e simultaneità Trasformazione della velocità Momento relativistico Energia relativistica Relatività generale 1374 RIEPILOGO 1377 PROBLEMI Fisica nucleare 40.1 Proprietà dei nuclei Radioattività Reazioni nucleari Fissione e fusione 1398 RIEPILOGO 1409 PROBLEMI Particelle elementari e origine dell universo 41.1 Adroni e leptoni Spin e antiparticelle Leggi di conservazione Quark Particelle di campo Teoria elettrodebole Modello standard Evoluzione dell universo 1432 RIEPILOGO 1435 PROBLEMI 1436

18 VI Indice APPENDICE A Unità SI e fattori di conversione A.1 APPENDICE B Dati numerici A.3 APPENDICE C Tavola periodica degli elementi A.6 Compendio di matematica A.9 M.1 Cifre significative A.9 M.2 Equazioni A.10 M.3 Proporzionalità diretta e inversa A.12 M.4 Equazioni di primo grado (lineari) A.13 M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14 M.6 Potenze e logaritmi A.16 M.7 Geometria A.19 M.8 Trigonometria A.20 M.9 Sviluppo binomiale A.26 M.10 Numeri complessi A.27 M.11 Calcolo differenziale A.29 M.12 Calcolo integrale A.36 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari A.39 Indice analitico A.45 Tavole A.50