La seconda prova di fisica all Esame di Stato

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1 La seconda prova di fisica all Esame di Stato M. Quaglia e G. Tarantino AIF Settimo Torinese M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

2 Convegno Orlandini - AIF - Bologna 19-20/09/2015 Simulazione di fisica su argomenti del 4 anno prima di Natale Un problema (a scelta tra due) e alcuni (numero non definito) di quesiti Rubrica di valutazione in cui problema e quesiti pesano allo stesso modo ( punti) Problemi contestualizzati e non descrittivi (non tipo Brocca) All esame, problemi sui contenuti del 5 anno (definiti nel Quadro di Riferimento) M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

3 Nei LS e nei LSOSA a giugno prossimo la stessa prova: o matematica o fisica. Se a giugno 2016 matematica é in 2a prova, saranno proposte una simulazione di matematica e una di fisica Se a giugno 2016 fisica é in 2a prova, saranno proposte due simulazioni di fisica É importante fare la simulazione nella data proposta, usare la rubrica e restituire un feedback Dal prossimo a.s. non verranno piú fatte simulazioni ministeriali M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

4 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -1-) I genitori del tuo amico Alessio stanno raccogliendo informazioni per valutare se modificare il loro contratto per la fornitura dell energia elettrica, passando dagli attuali 3.0 kw a 4.5 kw. Infatti molto spesso capita che, a causa dell accensione di diversi utilizzatori allo stesso tempo scatti il contatore -sul display del contatore stesso compare la scritta Ridurre carico: supero potenza di più del XX% - Facendo riferimento ai dati riportati in tab 1 aiuta Alessio a spiegare ai suoi genitori Perchè per calcolare la potenza globalmente impiegata da diversi utilizzatori occorre sommare la potenza impiegata singolarmente da ciascuno degli utilizzatori Perchè accade -con il contratto da 3.0 kw- che alcune volte, quando sono simultaneamente accesi la lavabiancheria, il frigorifero e lo scaldabagno, scatti il contatore e altre volte no. Perchè con un contratto da 4.5 kw potrebbero sempre funzionare simultaneamente il frigorifero, lo stereo, il forno a microonde e la lavastoviglie. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

5 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -2-) Alessio fa una ricerca in internet e scopre che Il distacco per supero potenza avviene nei seguenti due casi: se la potenza assorbita dal cliente, misurata all interno di un periodo di tempo pari a 2 minuti, è stata superiore del 27 % della potenza disponibile se la potenza assorbita dal cliente, misurata all interno di un periodo di tempo pari a 182 minuti, è compresa tra la potenza disponibile e la potenza disponibile maggiorata del 27% Supponendo che la potenza assorbita dal frigorifero e dallo scaldabagno corrispondano rispettivamente a 200 W e 1100 W, valuta qual è il massimo valore di potenza assorbita dalla lavabiancheria, perchè non ci sia il distacco per supero di potenza (fai riferimento al primo dei due casi citati). M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

6 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -3-) Quando un elettricista ha recentemente sostituito alcuni vecchi fili dell impianto elettrico per adeguarlo alla normativa vigente, ti ha detto che quello nuovo che utilizzava era un normale filo di rame isolato calibro 18 (area della sezione 1.17mm 2 ), che può trasportare una corrente massima di 5.0A. Sapendo che la tensione di rete è 220V, a una presa a cui arriva un filo di questo calibro è possibile collegare un tostapane? E un ferro da stiro? Quale rischio si può correre? M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

7 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -4-) I genitori di Alessio inoltre sono insoddisfatti dello scaldabagno, dato che ritengono che il riscaldamento dell acqua sia troppo lento e che una parte della spesa sostenuta in bolletta sia inutile, essendo da attribuire alla dispersione di energia dello scaldabagno. Alessio vuole avere a disposizione dei dati quantitativi, per poter supportare o smentire le loro affermazioni. Il suo scaldabagno contiene 80l di acqua alla temperatura di 18 C e funziona assorbendo una potenza di 1.2kW. La capacità dello scaldabagno e la potenza le trova indicate nel libretto di istruzioni, mentre la tempertura dell acqua la desume misurando la tempertura dell acqua che esce dal rubinetto dell acqua fredda. Tu ipotizzi che ci sia una dispersione di energia del 5%. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

8 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -4-) Calcola quanto tempo è necessario, approssimando al minuto, perchè il termostato interrompa l alimentazione elettrica, sapendo che esso è predisposto per interromperla quando l acqua ha raggiunto la tempertura di 40 C. Calcola la spesa da sostenere per portare l acqua da 18 C a 40 C, sapendo che il costo del servizio è 0.18 Euro/kWh. Calcola la spesa sostenuta inutilmente a causa della dispersione di energia dello scaldabagno M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

9 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -5-) Per stabilire se la stima del 5% di dispersione sia corretta, Alessio cerca di misurare l energia effettivamente consumata dal suo scadabagno. A questo scopo procede così: spegne o stacca la spina di tutti gli apparecchi elettrici e delle lampade collegate al contatore elettrico, verificando che il consumo istantaneo sia zero, e legge quanti kwh segna il contatore in quel momento: kwh. Quindi accende lo scaldabagno e aspetta che il termostato automaticamente interrompa l alimentazione (te ne accorgi perchè si spegne la spia luminosa) prima di effettuare la nuova lettura del contatore, che risulta kwh. In base a queste misure, quale ritieni che sia la dispersione del suo scaldabagno? M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

10 Problema (Il contratto per la fornitura elettrica -6-) L analisi che hai fatto relativamente al funzionamento dello scaldabagno ha incuriosito tuo fratello che frequenta la prima superiore e vorrebbe simulare, se possibile, in un esperienza di laboratorio con l aiuto della sua insegnante il funzionamento dello scaldabagno. Non sa se il laboratorio della sua scuola ha tutto il materiale occorrente e neppure come dovrebbe procedere. Spiegagli: Quali materiali e quali strumenti di misura gli occorrono e qual è il circuito che deve montare (disegnagli lo schema di tale circuito) Quale procedimento deve seguire e quali grandezze può misurare direttamente Quali aspettative può avere nel confronto tra la quantità di calore assorbita dall acqua e l energia elettrica impiegata. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

11 Problema (Il flash della macchina fotografica -1-) La tua amica Martina, appassionata di fotografia, ti chiede se hai idea del motivo per cui non è possibile scattare in successione due foto con il flash con la sua macchina fotografica, a meno che l intervallo di tempo tra le due foto sia almeno di qualche secondo. La sua macchina Reflex non è delle più moderne, ma funziona ancora molto bene e lei vi è molto affezionata. Facendo una ricerca in rete, trovi che lo schema semplificato del circuito di un flash può essere quello mostrato in fig. 1. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

12 Problema (Il flash della macchina fotografica -1-) Illustrale che cosa avviene nella fase di carica e nella fase di scarica del condensatore (facendo riferimento al circuito di fig. 1 stabilisci in quali posizioni si devono trovare gli interruttori S 1 e S 2 nelle due fasi di carica e scarica). In particolare nella fase di carica scrivi l espressione analitica della differenza di potenziale ai capi del condensatore in funzione del tempo e della corrente che attraversa R 1, dando inoltre una rappresentazione grafica di tali funzioni rispettivamente nei piani (t, V C ) e (t, I) -indicando sugli assi dei valori di riferimento- Determina inoltre i valori di V C e I all istante iniziale del processo di carica e dopo molto tempo dall inizio della fase di carica. Dai una giustificazione fisica dei risultati ottenuti, spiegando come si comporta il condensatore quando è scarico (all inizio del processo di carica) e quando è stato caricato (al termine del processo di carica). M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

13 Problema (Il flash della macchina fotografica -2-) Facendo riferimento al circuito di fig. 1 vuoi cercare di quantificare il tempo che occorre al flash per caricarsi, in modo da soddisfare la curiosità di Martina. Per il circuito di fig. 1 trovi che dei valori verosimili di forza elettromotrice, resistenza e capacità sono rispettivamente fem = 9.0V, C = 0.14mF, R 1 = 50kΩ. Inoltre l interruttore S 2 si chiude automaticamente, determinando l accensione del flash, quando l energia accumulata nel condensatore è 1.7mJ. Determina la massima energia immagazzinata nel condensatore e quanto tempo deve passare dall inizio del processo di carica prima che il flash possa funzionare. Esprimi tale tempo in funzione della costante di tempo e spiega a Martina il significato di tale costante, valutando -all istante pari a 5 volte la costante di tempo- qual è il rapporto tra la carica presente sulle armature e la carica massima. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

14 Problema (Il flash della macchina fotografica -3-) Martina ti chiede come bisognerebbe modificare il circuito in modo da ridurre il tempo che intercorre tra un flash e il successivo. Continuando a fare riferimento al circuito di fig. 1 (con i valori delle grandezze forniti al punto 2) e supponendo che il flash si attivi quando nel condensatore è immagazzinata una energia di 1.7mJ, determina quale valore dovrebbe avere la forza elettromotrice del generatore (mantenendo invariati i valori di R 1 e C del circuito di fig. 1) per far in modo che il tempo necessario per caricare il flash diventi 3.0s determina quale valore dovrebbe avere la resistenza R 1 (mantenendo invariati i valori di C e fem del circuito di fig. 1) per far in modo che il tempo necessario per caricare il flash diventi 3.0s Spiega a Martina i risultati che hai ottenuto. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

15 Problema (Il flash della macchina fotografica -4-) Sfogliando il tuo libro di fisica, in una scheda di approfondimento, hai trovato un circuito molto simile a quello del flash, eccetto per il fatto che uno dei due interruttori è sempre chiuso e che R 2 è un qualsiasi resistore (e non una lampadina). Il circuito è mostrato in fig. 2. E un circuito piú complicato di quelli che hai studiato, ti incuriosisci e cerchi di capirci qualcosa. Nella spiegazione del testo, ti vengono fornite le espressioni analitiche delle correnti I C e I 2 in funzione del tempo. I C = fem R 1 exp ( t/τ) dove I 2 = fem R 1 + R 2 (1 exp ( t/τ)) τ = R 1R 2 C R 1 + R 2 M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

16 Problema (Il flash della macchina fotografica -4-) Prova a giustificare tali espressioni, considerando cosa accade immediatamente dopo la chiusura dell interruttore e molto tempo dopo la chiusura dell interruttore. Inoltre vuoi provare a scrivere l espressione analitica di I 1 in funzione del tempo e a rappresentare nello stesso piano (t, I) le tre funzioni I 1, I C e I 2. Infine vuoi provare a scrivere l espressione analitica della tensione ai capi del condensatore V C in funzione del tempo. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

17 Problema (Il flash della macchina fotografica -5-) Martina, che si è distratta mentre ragionavi sul circuito di fig. 2 (....non riusciva bene a seguire quello che stavi facendo....) si é messa a cercare in rete informazioni sui condensatori. Trova la seguente formula per la capacità di un condensatore: C = ɛ 0 ɛ r S/d Sai dirle a quale situazione fisica si riferisce e spiegarle il significato dei simboli che compaiono in questa formula? Riusciresti anche a ricavarla, a partire dalla definizione di capacità, illustrando i vari passaggi? Sapresti spiegarle -a livello microscopico- perché l inserimento del dielettrico tra la armature del condensatore ne aumenta la capacità? M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

18 Problema (Il televisore a tubo catodico) Hai trovato nella casa di campagna dei tuoi nonni un vecchio televisione a tubo catodico e con il tuo amico Marco, appassionato di elettronica, vuoi smontarlo per cercare di capire come funziona. Prima di tutto fate una ricerca in rete e trovate molte informazioni al riguardo. Facendo riferimento allo schema del tubo catodico che avete trovato in rete, volete capire meglio la funzione del riscaldatore e della bobina deflettrice. Marco è certo che il riscaldatore serve a surriscaldare un filamento metallico, che -in opportune condizioni- emette elettroni. Ma vorrebbe maggiori dettagli al riguardo. Per provare a spiegargli come avviene questo fenomeno, ti documenti e trovi il seguente estratto M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

19 Problema (Il televisore a tubo catodico -1-) Gli elettroni di conduzione di un metallo possono sfuggire attraverso la superficie, formando una nuvola elettronica sopra il materiale. Questo fenomeno, noto come emissione termoionica, richiede che le particelle abbiano energia cinetica sufficiente per vincere le forze attrattive generate dal reticolo, superando così la barriera di potenziale che esiste tra la superficie del conduttore e l esterno. L energia necessaria a un elettrone per abbandonare il metallo e passare in aria ha un valore caratteristico per ogni conduttore ed è definita lavoro di estrazione. In tabella 1 sono riportati i valori del lavoro di estrazione W (in elettronvolt) di alcuni metalli. Inoltre la densità di corrente emessa J, misurata in A/m2, si ottiene mediante la formula J = BT 2 exp ( W/kT) dove B = A/(m 2 K 2 ), T è la temperatura assoluta misurata in K e k la costante di Boltzmann ( J/K). M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

20 Problema (Il televisore a tubo catodico -1-) Prova insieme a Marco a stimare la densità di corrente emessa da un filamento di tungsteno a 1000 C, esprimendo il risultato in A/cm 2 Materiale W(eV) Cesio 1.9 Potassio 2.2 Sodio 2.3 Calcio 2.7 Zinco 4.2 Tungsteno 4.5 Argento 4.7 Nichel 5.0 Platino 5.3 M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

21 Problema (Il televisore a tubo catodico -2-) Facendo riferimento alla legenda associata a un altra figura che avete trovato in rete, leggete che il generatore G1, collegato al collimatore, può funzionare tra 20 kv e 30 kv. Spiega a Marco qual è secondo te il ruolo di questo generatore, calcolando l energia cinetica acquisita da un elettrone nel suo percorso dal filamento (Fil) al collimatore (Coll) e la velocità con cui un elettrone passa attraverso il collimatore, se la ddp del generatore G1 è 20 kv (esprimi tale velocità in funzione della velocità della luce). M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

22 Problema (Il televisore a tubo catodico -3-) Marco rimane impressionato dal valore di velocità che hai calcolato. Vuole sapere se sai stimare anche quali sono il campo elettrico che accelera l elettrone, qual è l accelerazione a cui è sottoposto l elettrone e quanto tempo impiega per andare dal filamento al collimatore. Per soddisfare le sue richieste, spieghi a Marco che ti occorre avere idea dell ordine di grandezza della distanza tra Fil e Coll. Assumendo che tale distanza sia dell ordine del centimetro, prova a fare i calcoli che Marco ti ha richiesto, illustrando anche qual è l approssimazione fatta per arrivare a tali risultati. M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

23 Problema (Il televisore a tubo catodico -4-) Facendo nuovamente riferimento alla legenda associata alla fig. 1, in cui si evidenzia una regione sferica Z di raggio 4.0 cm, in cui è presente un campo magnetico uniforme, spieghi a Marco il ruolo della bobina deflettrice. In particolare, stabilisci quale direzione deve avere il vettore campo magnetico B, in modo tale che l elettrone possa raggiungere i punti A e C (alto e basso sullo schermo, riportati secondo una vista frontale dello schermo stesso nella fig. 1b) M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

24 Problema (Il televisore a tubo catodico -5-) Marco é piuttosto divertito dalla regola che hai usato per determinare la direzione di B e vuole saperne di piú sul moto delle cariche nei campi magnetici. Ti chiede di calcolargli la velocitá con cui gli elettroni arrivano sullo schermo ed é stupefatto dalla tua pronta risposta. Come hai fatto a determinare cosí rapidamente il risultato? -ti chiede-. Cosa gli rispondi? M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

25 Problema (Il televisore a tubo catodico -6-) Marco adesso ti mette alla prova e ti chiede di calcolargli, anche con qualche approssimazione, il modulo del campo magnetico nella regione Z, tale da consentire all elettrone di arrivare nei punti A e C dello schermo (fai sempre riferimento alla vista frontale dello schermo riportata in fig. 1a). Ti fornisce le misure che ha preso: altezza dello schermo: h=40 cm larghezza dello schermo: l=50 cm; profondità del tubo (da dove si trova la bobina deflettrice allo schermo): p=35 cm M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25

26 La seconda prova di fisica all Esame di Stato M. Quaglia e G. Tarantino AIF Settimo Torinese Grazie della vostra attenzione! M. Quaglia e G. Tarantino (AIF Settimo Torinese) La seconda prova di fisica all Esame di Stato Torino, 16/12/ / 25