LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI

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1 LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI 1

2 Direttore Ivan DAVOLI Università degli Studi di Roma Tor Vergata Comitato scientifico Livio NARICI Università degli Studi di Roma Tor Vergata Michael ARONS Department of Physics, Long Island University

3 LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI I fatti matematici che vale la pena studiare sono quelli che, in analogia ad altri fatti, sono in grado di portarci alla conoscenza di una legge fisica. Henri POINCARÉ La collana ha come obiettivo quello di pubblicare testi di Fisica di base presupponendo che il lettore abbia le conoscenze matematiche apprese in una qualunque scuola superiore. La Fisica semplice si rivolge a studenti e giovani laureati che non devono intraprendere la carriera tipica di uno studente di Fisica o di Ingegneria. Le attività scientifiche cosiddette soft sono in rapida evoluzione, ma sono spesso caratterizzate da una scarsa preparazione fisico matematica. Questa lacuna deve essere colmata invitando ad uno studio delle materie scientifiche di base più assiduo e consapevole, ma anche rivedendo molti dei percorsi formativi che le scienze esatte abitualmente offrono a questi studenti. Le attività di questi operatori scientifici, pur non avendo bisogno di una completa preparazione in Fisica, necessitano comunque degli strumenti tipici della Fisica di base, che siano ridotti al minimo, ma che siano nel contempo molto chiari e solidi. La collana ospita testi, siano essi monotematici o generalisti, che contengono la descrizione dei fenomeni espressa con un linguaggio semplice, ma corretto, e le conseguenti conclusioni devono essere presentate in forme operative facilmente accessibili, quali formule e grafici.

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5 Francesca Ferrari Esperimenti di Fisica Per la scuola secondaria superiore Prefazione di Ivan Davoli

6 Copyright MMXV Aracne editrice int.le S.r.l. via Quarto Negroni, Ariccia (RM) (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: marzo 2015

7 Indice 9 Prefazione di Ivan Davoli 11 Introduzione 13 Capitolo I Meccanica 1.1. Il moto, Moto rettilineo uniforme, Moto uniformemente accelerato, Moto circolare uniforme, Moto del pendolo, Conservazione dell energia meccanica, Le forze, La composizione delle forze, Forze agenti su un corpo sul piano inclinato, Misura della costante elastica di un molla, Capitolo II Fluidodinamica 2.1. Legge di Archimede, Legge di Pascal, Capitolo III Il calore 3.1. Taratura di un termometro, Cambiamenti di fase dell acqua, Dilatazione lineare dei corpi solidi, Equivalente in acqua di un calorimetro, Il calore specifico, Capitolo IV Elettromagnetismo 4.1. Carica elettrica, Il campo elettrico, Prima legge di Ohm, Seconda legge di Ohm, Carica 7

8 8 Indice e scarica di un condensatore, Le linee del campo magnetico, Interazione tra campo magnetico e corrente, Esperienza di Oersted, Esperienza di Faraday, Esperienza di Ampere, Capitolo V Onde 5.2. Esperienze con l ondoscopio, Esperienza 1: propagazione delle onde, Esperienza 2: riflessione mediante uno specchio piano, Esperienza 3: Riflessione da uno specchio concavo, Esperienza 4: diffrazione, Esperienza 5: interferenza, Verifichiamo che il suono è un onda, Tubo di Kundt, Risonanza, Esperienza 1, Esperienza 2, Battimenti, Esperienze con il banco ottico, La rifrazione, La riflessione, I diottri: lenti e specchi, Esperienza 1: rifrazione, Esperienza 2: riflessione, 69

9 Prefazione di IVAN DAVOLI Insegnare la Scienza e in particolare la Fisica nelle scuole medie di secondo livello è una vera e propria impresa. La Scienza ha un linguaggio suo proprio, fatto di formule e grafici che non sono facili da esemplificare, senza cadere in pericolose misconoscenze; d altronde i concetti fisici sono anche difficili da capire perché richiedono un livello di astrazione in molti casi elevato. Ma soprattutto il tempo a disposizione per un insegnante di fisica nelle scuole superiori è decisamente scarso. Contemporaneamente però dobbiamo essere coscienti che proprio nella adolescenza e precisamente nel periodo scolastico si sviluppa nei ragazzi il talento razionale e la loro vocazione verso un approfondimento della cultura scientifica. E se in questa delicata fase di crescita intellettuale la Fisica dovesse essere presentata in modo incompleto, superficiale o semplicemente noioso, facilmente provocheremmo in molti ragazzi, disinteresse e avversione per la Fisica, ma anche per tutte le altre Scienze di cui la Fisica è madre. Il libro Esperimenti di Fisica della Prof.ssa Francesca Ferrari è una raccolta di esperimenti che si possono realizzare anche in laboratori didattici non particolarmente attrezzati, la cui ricchezza risiede nel modo particolarmente semplice ed esauriente con cui vengono presentati alcuni concetti base della fisica classica senza rischiare di annoiare gli studenti. Unica richiesta ai fruitori di questo testo è una po curiosità e un grande desiderio di conoscenza del mondo. 9

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11 Introduzione Le esperienze di laboratorio sono parte integrante del programma di fisica. Durante le attività laboratoriali vi è infatti l occasione di mostrare agli studenti la manifestazione pratica di quanto studiato in teoria. Lo scopo di questa raccolta è quello di presentare una serie di esperienze facilmente realizzabili nella scuola superiore con strumenti e materiali di facile reperibilità. Gli esperimenti sono corredati di una breve introduzione teorica che aiuti ad inquadrare l esperienza nel programma svolto in classe. 11

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13 Capitolo I Meccanica In questa sezione illustriamo alcuni esperimenti sul moto, sulla conservazione dell energia e sulle forze Il moto Per analizzare il moto di un corpo occorre definire almeno due grandezze fisiche fondamentali: lo spazio ed il tempo. Definiamo a partire da esse la velocità come lo spazio percorso in un intervallo di tempo. Il più semplice tipo di moto che possiamo definire è quello rettilineo uniforme. Il corpo si muove in linea retta percorrendo spazi uguali in tempi uguali, cioè a velocità costante. Introduciamo un altra grandezza: l accelerazione. Essa rappresenta la variazione della velocità in un intervallo di tempo. Il moto uniformemente accelerato è caratterizzato da una accelerazione costante, cioè in esso la velocità varia ad un ritmo costante Moto rettilineo uniforme Materiale occorrente Rotaia a cuscino d aria; Compressore; Cursore; Dispositivi di ritegno e rilascio; Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale. 13

14 14 Esperimenti di Fisica Procedura Posizioniamo un cursore sulla rotaia, in posizione orizzontale [Figure 1.1 e 1.2]. Per verificare che la rotaia sia perfettamente orizzontale regoliamo l altezza dei supporti fino a quando si verifica che il cursore, in assenza di erogazione di aria, rimane fermo. La prima fotocellula deve essere posizionata a 10 cm dal punto di partenza del cursore. Fissiamo la seconda a distanza variabile, in modo da raccogliere dati corrispondenti a diverse distanze. Per abbassare l errore di misura ripetiamo la misura, per ogni distanza, almeno tre volte e compiliamo tabelle come la seguente (tab. 1.1). Figura 1.1. Rotaia a cuscino d aria. Figura 1.2. Cursore e fotocellule collegate ai sensori.

15 I. Meccanica 15 Tabella 1.1. d [cm] t 1 [s] t 2 [s] t 3 [s] Media dei tempi t m [s] d [cm] Tabella 1.2. v m [cm/s] Calcoliamo la velocità secondo la formula: v m = s t m Riportiamo i valori ottenuti in tabella (tab. 1.2) completando con gli errori. I valori devono essere compatibili entro le incertezze, dimostrando che il valore della distanza percorsa ed il tempo impiegato sono direttamente proporzionali Moto uniformemente accelerato Materiale occorrente Rotaia a cuscino d aria; Compressore; Cursore; Dispositivi di ritegno e rilascio; Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale; Porta pesi; Filo inestensibile (di cotone).

16 16 Esperimenti di Fisica Procedura Sistemiamo la rotaia in modo che sia orizzontale [Figure 1.3 e 1.4]. Fissiamo il cursore al dispositivo di ritegno, in modo che non si muova e colleghiamolo, tramite il filo di cotone, al porta pesi. Una fotocellula deve essere posta presso il dispositivo di ritegno la seconda può essere collocata presso la fine della rotaia. Si inserisce una massa nel porta pesi e si libera il cursore in modo che il peso lo faccia muovere sulla rotaia. Si annota in tabella la misura del tempo di transito tra le due fotocellule. Si ripete la misura tre volte e si calcola la media dei valori trovati in modo da abbassare l errore. L accelerazione del cursore può essere calcolata teoricamente grazie alla seconda legge della dinamica: a = F m Sulla base dei dati raccolti calcoliamo, invece, l accelerazione dalla formula: a = 2s t 2 La formula deve fornire un valore compatibile con quello ottenuto dalla legge della dinamica dimostrando che il moto è ben descritto dalla legge del moto uniformemente accelerato. Possiamo ripetere la procedura cambiando la massa nel porta pesi e verificare che l accelerazione varia in funzione della forza applicata (tab. 1.4).

17 I. Meccanica 17 Tabella 1.3. Misura t [s] Media [s] Tabella 1.4. s [m] t [s] a [m/s 2 ] F [N] m [kg] a [m/s 2 ] Figura 1.3. Massa da collegare al cursore. Figura 1.4. Apparato per lo studio del moto circolare uniforme: il disco è mosso dal motore elettrico. La linguetta oscura le fotocellule collegate al cronometro.

18 18 Esperimenti di Fisica Moto circolare uniforme Prerequisiti Il moto circolare uniforme è un caso di moto uniformemente accelerato. Tale moto si svolge su una circonferenza. Il corpo in moto percorre archi uguali in tempi uguali Materiale occorrente Due fotocellule collegate ad un cronometro digitale; Piattaforma circolare di compensato fissata ad un motorino elettrico; Carrellino con linguetta; Goniometro Procedura Sulla piattaforma disegniamo angoli di 30, 45, 60, 90 e 180. Assembliamo, poi, l apparato di figura 1.4. Il motorino elettrico fa muovere la piattaforma di moto circolare uniforme. Durante il moto rotatorio la linguetta oscura le fotocellule. La prima fotocellula attiva il cronometro al primo oscuramento. La seconda fotocellula ad ogni oscuramento ferma il cronometro. Fissiamo, dapprima, la prima fotocellula in corrispondenza dell angolo 0 e la seconda in corrispondenza dell angolo 30. Poniamo in moto il disco e raccogliamo almeno tre misure dei tempi registrati dal cronometro tra un oscuramento e l altro. Ripetiamo la procedura ponendo la seconda fotocellula in corrispondenza degli altri angoli che abbiamo fissato sul disco. Raccogliamo i dati in tabella (tab. 1.5). Calcoliamo la velocità angolare mediante: ω = α t m

19 I. Meccanica 19 Tabella 1.5. a [m/s 2 ] t 1 [s] t 2 [s] t 3 [s] Media dei tempi t m [s] Verifichiamo che la velocità angolare si mantiene uguale al variare dell angolo scelto Moto del pendolo Il periodo di oscillazione di un pendolo semplice si può calcolare mediante la relazione: T = 2π l g Dove l è lunghezza del filo del pendolo, g è l accelerazione di gravità Materiale occorrente Sferette di massa diversa; Fili sottili; Asta con sostegno; Cronometro; Goniometro; Bilancia di precisione; Righello da un metro.