Antonia Poli, Agostino Fiorello. Elementi di Fisica RCS LIBRI EDUCATION SPA

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1 Antonia Poli, Agostino Fiorello Elementi di Fisica RCS LIBRI EDUCATION SPA

2 ISBN RCS Libri S.p.A. Milano Prima edizione: gennaio 2007 Ristampe: Stampa: Litolega, Nova Milanese (MI) Coordinamento editoriale Redazione Impaginazione e progetto grafico Disegni Vignette Copertina Foto di copertina Isabella Randone Sergio Miotto Studio Mizar, Bergamo Studio Aguilar, Milano - Studio Mizar, Bergamo Davide Viganò Basile&Panetta, Milano Corbis I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche ad uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i paesi. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, comma 4, della legge 22 aprile 1941 n. 633 ovvero dell accordo stipulato tra SIAE, AIE, SNS e CNA, CONFARTIGIANATO, CASA, CLAAI, CONFCOMMERCIO, CONFESERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni per uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, corso di Porta Romana, n Milano, telefax , segreteria@aidro.org La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RCS Libri S.p.A. Divisione Education Via Mecenate, n Milano fax L editore è presente su Internet all indirizzo: Indicazioni ed aggiornamenti relativi al presente volume saranno disponibili sul sito. Per qualsiasi comunicazione all editore tramite posta elettronica scrivere a infoline@rcs.it L editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel volume. L editore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico.

3 Presentazione Abbiamo cercato di riportare in quest opera la nostra pluriennale esperienza di insegnamento maturata con ragazzi ai quali la fisica può risultare o- stica se presentata subito in maniera formalizzata. Se si parte da esperienze e problematiche quotidiane e si fa leva sulla capacità di osservazione e di intuizione degli allievi, l apprendimento risulta più efficace. Il testo, suddiviso in cinque sezioni (strumenti, modelli e procedure; fenomeni meccanici; fenomeni termici; fenomeni oscillatori; fenomeni elettromagnetici), presenta i concetti fondamentali della fisica classica. Ogni sezione, suddivisa in unità, si apre con una domanda che, invitando all osservazione, vuole suscitare interesse. Per facilitare l apprendimento ogni unità è suddivisa in passi, quasi sempre monoconcettuali, i- dentificati da un titolo. Ogni passo termina con la rubrica Stop and go che invita lo studente alla riflessione e all applicazione e aiuta a rendere più concreti e familiari i concetti trattati nel testo. L apparato didattico è arricchito da numerosi e- sercizi svolti a titolo di esempio. Apposite rubriche riportano approfondimenti tematici, note di carattere storico e proposte per l attività di laboratorio. Le Schede di tecnologia rendono più attuali i concetti della Fisica e aiutano a comprendere l utilità di ciò che viene proposto. Considerata l importanza che la lingua inglese riveste nella società contemporanea, si è introdotta la rubrica English for Physics come strumento per favorire l apprendimento e l uso della lingua inglese in ambito tecnico e scientifico. Al termine di ogni unità si trovano problemi, e- sercizi e quesiti appositamente pensati per riassumere, verificare e approfondire tutti i concetti trattati. La prova strutturata può essere utilizzata come simulazione di una verifica; il docente dispone inoltre di altre proposte per la verifica nella Guida per l insegnante. Molto numerosi sono gli esercizi proposti, di varia tipologia e graduato livello di difficoltà: più semplici quelli dello Stop and go..., più impegnativi quelli di fine unità. Realizzare un testo scolastico è un opera complessa che ha richiesto molte competenze diverse. Per questo vogliamo ringraziare tutti coloro che ci hanno aiutato, attraverso contributi e suggerimenti, ma soprattutto mediante la loro competenza ed esperienza didattica. In particolare siamo grati al dott. Paolo Cappelletti e al dott. Giuseppe Gorini. Ringraziamo fin da ora chi vorrà far pervenire osservazioni e proposte per migliorare questo testo. gli Autori

4 Struttura del testo unità 1 sezione a Le scienze sperimentali unità 2 Le grandezze fisiche unità 3 La relazione fra le grandezze La sezione si apre con una domanda che invita all osservazione. È necessario conoscere e saper operare con: Quanto è lontana Vega, la stella in fotografia? Come si misura la sua distanza? Strumenti, modelli e procedure Figura 9 Apparato sperimentale per lo studio della dilatazione lineare. L asta di ottone, riscaldata dal vapore, si dilata. Il comparatore misura l allungamento. Le quattro operazioni aritmetiche Le proprietà delle potenze Le formule per l area di figure piane e il volume di solidi La rappresentazione di un punto su un asse cartesiano e nel piano cartesiano Il riquadro esplicita gli obiettivi di apprendimento unità 13 Temperatura e calore 13.6 La legge della dilatazione termica lineare (*)Per convenzione, l 0 è la lunghezza a 0 C. Per temperature diverse si può scrivere, con buona approssimazione: Δl = λl iniziale (t finale t iniziale ) Esercizio risolto Figura 10 Soluzione Ora prova tu Per facilitare l apprendimento ogni unità è suddivisa in passi, quasi sempre monoconcettuali, identificati da un titolo. La dilatazione termica dei corpi si può esprimere mediante leggi matematiche lineari. Tali relazioni sono leggi di tipo empirico, cioè sono state ricavate da un gran numero di e- sperimenti nei quali dei corpi allo stato solido e liquido vengono riscaldati e quindi si misura l aumento di volume che essi subiscono. Se i corpi solidi hanno la forma di sbarre o di fili si parla di dilatazioni lineari, in quanto l aumento di volume si riduce, in questo caso, essenzialmente a un aumento della lunghezza del corpo (fig. 9). Sperimentalmente è stata ricavata la seguente legge di dilatazione: l t l 0 = λl 0 Δt cioè l t = l 0 (1+ λδt) dove l t è la lunghezza della sbarra alla temperatura di t C, l 0 la lunghezza a 0 C e λ (leggi lambda ) è una costante di proporzionalità chiamata coefficiente di dilatazione lineare. Se la temperatura è misurata in gradi Celsius ( C), l unità di misura del coefficiente λ è 1/ C (cioè C 1 ); nel SI la sua unità di misura è invece 1/K (cioè K 1 ). Introducendo il simbolo Δl = l t l 0, la legge di dilatazione lineare si può anche scrivere(*): Δl = λl 0 Δt La variazione di lunghezza subita da una sbarra metallica quando la sua temperatura aumenta da 0 C a t C è direttamente proporzionale, tramite il coefficiente λ, alla lunghezza della sbarra a 0 C e all aumento di temperatura. La distanza ferroviaria fra Roma e Milano è di circa 630 km. Immaginando che la ferrovia sia costituita di un unico binario di acciaio della lunghezza di 630 km, calcola quale aumento di lunghezza dovrebbe subire il binario nel passaggio dall inverno all estate, quando la temperatura cresce da 10 C a +40 C. Perché è necessario lasciare uno spazio vuoto tra un tratto di binario e quello successivo (fig. 10)? Come valore del coefficiente di dilatazione λ utilizza 0, K 1. Calcoliamo la variazione di temperatura fra l inverno e l estate: Δt = t estate t inverno = 40 C ( 10 C) = +50 C = +50 K Calcoliamo ora l aumento di lunghezza Δl del binario: Δl = 0, K km 50 K = 0,3465 km = 346,5 m Fra un tratto di binario e quello successivo è necessario lasciare uno spazio vuoto in modo che la dilatazione inevitabile del metallo non produca una deformazione del binario stesso. Una sbarra metallica, lunga 2,5 m a 0 C, quando viene portata alla temperatura di 200 C si allunga di 11 mm. Calcola il coefficiente di dilatazione lineare del metallo. Fenomeni termici Il riquadro esplicita i prerequisiti da possedere. unità8 Figura 1 Orologio a pendolo fabbricato a Parigi nel I quadranti minori riportano i calendari repubblicano e gregoriano (Museo internazionale di o- rologeria, La Chaux-de-Fonds, Svizzera). Gli orologi sono uno strumento indispensabile per lo studio quantitativo del movimento. 8.1 Il moto rettilineo uniforme È necessario conoscere e saper operare con: Gli assi cartesiani Le grandezze direttamente proporzionali La rappresentazione delle grandezze nel piano cartesiano Obiettivi di apprendimento Definire le grandezze necessarie per lo studio del movimento di un corpo Definire la velocità media Distinguere fra grandezze cinematiche medie e istantanee Descrivere il moto rettilineo uniforme e ricavare la legge oraria Rappresentare graficamente la legge oraria Eseguire misure di velocità media Lo studio del movimento Capita spesso di osservare corpi in movimento come, ad esempio, una barca a vela che naviga su un lago, un automobile che percorre una strada o le nuvole che passano nel cielo spinte dai venti. D altra parte, anche per noi il movimento è un esperienza quotidiana che si ripete ogni volta che ci alziamo, camminiamo, corriamo o afferriamo un oggetto. Generalizzando, possiamo dire che un corpo è in movimento quando, al trascorrere del tempo, cambia la sua posizione nello spazio. La cinematica è la sezione della fisica che si occupa della descrizione del movimento. Galileo Galilei ( ) portò un contributo sostanziale alla cinematica descrivendo correttamente, per primo, il moto di caduta libera degli oggetti al suolo (moto naturalmente accelerato) e il moto dei proiettili (moto parabolico). Contrariamente a quanto ritenuto in quel tempo, Galileo dimostrò che la velocità di caduta al suolo di un oggetto è indipendente dal suo peso. Come conseguenza, oggetti di peso diverso, cadendo dalla medesima altezza, raggiungono il suolo nello stesso istante. Ciò è vero se possiamo trascurare gli attriti e considerare l oggetto come un punto materiale, cioè come un corpo puntiforme. Galileo si rese conto che il movimento reale di un oggetto è sempre ostacolato dalle forze di attrito. Se lanciamo un oggetto sopra una superficie, esso dapprima scorre, ma poi rallenta la sua corsa fino a fermarsi. Sono le forze di attrito che fanno perdere velocità al corpo, e infatti, se vogliamo mantenere il corpo in movimento, dobbiamo continuamente spingerlo o tirarlo. I riquadri colorati identificano le definizioni e le formule più importanti. Numerosi esercizi risolti favoriscono l apprendimento. RCS LIBRI EDUCATION SPA Inoltre, apposite schede riportano approfondimenti tematici, note di carattere storico e proposte di laboratorio che aiutano a cogliere il fondamento sperimentale della disciplina.

5 Strumenti, modelli e procedure ˆl Stop... and go... Il moto armonico Quesiti a risposta aperta 1. Il periodo di un oscillatore armonico si calcola con la formula T = 2π m/k. Sostituisci in essa le unità di misura della massa e della costante elastica e verifica che l unità di misura del periodo è il secondo. 2. Si costruisce un oscillatore armonico appendendo una massa a una molla fissata verticalmente a un sostegno. La massa viene allungata di 3 cm e quindi lasciata libera di oscillare. Qual è l ampiezza del moto armonico che si origina? In quali posizioni la massa risulta ferma? Dove raggiunge la velocità massima? 3. Le due molle sono identiche, ma m 2 = 4m 1. Come sono i periodi dei due oscillatori? E le frequenze? m 1 4. Le masse degli oscillatori della figura precedente Problemi ora sono identiche, ma k 1 = (1/4)k 2. Come saranno i periodi dei due oscillatori? E le frequenze? 5. Non potendo utilizzare una bilancia, come puoi determinare la massa di un oggetto disponendo di una molla di costante elastica k e di un cronometro? 6. Costruisci un oscillatore armonico con una massa m 2 agganciata a una molla (vedi figura quesito 2). Immergi la massa in un becher contenente acqua e mettila in oscillazione. Quali differenze noti rispetto al caso in cui l oscillatore si muova nell aria? m unità 16 Le onde meccaniche Il moto armonico 7. Al tempo t = 0 il punto P si trova in A con velocità tangenziale di 2 m/s. Se il raggio OP vale 3 m, ricava lo spostamento x del punto P', proiezione di P sul diametro AA', dopo 1 s e dopo 3 s. (Ricorda che ωt è espresso in radianti e quindi la calcolatrice deve essere impostata in RAD digitando sul tasto.) 8. Riferendoti ai dati dell esercizio precedente, ricava l angolo α corrispondente alle proiezioni x 1 e x 2. E- segui un disegno in scala e utilizza un goniometro. (È possibile risolvere il problema utilizzando la calcolatrice con la sequenza: 2, Questa sequenza può non funzionare con alcuni tipi di calcolatrice; in questo caso risulta necessario consultare il libretto informativo.) L oscillatore armonico 3 DRG 9. Una massa di 0,5 kg, applicata a una molla verticale, compie un'oscillazione completa in 1,6 s. Calcola la costante di elasticità della molla. 10. Si vuole realizzare un oscillatore con periodo di oscillazione di 1 s utilizzando una molla di costante elastica 5 N/cm. Quanto deve valere la massa applicata? Il moto del pendolo = A 2ndF cos 1 cos 11. Un pendolo impiega 0,4 s per passare dalla sua posizione di equilibrio O all estremo dell oscillazione A. Ricava il periodo e la frequenza di oscillazione. 12. Calcola la lunghezza che deve avere un pendolo per oscillare con un periodo di 1 s. P P 13. Un pendolo oscilla con un periodo di 3 s. Di y x 2 quanto occorre diminuire la sua lunghezza in modo che il periodo diventi di 1,5 s? 14. Ricava la formula per calcolare il periodo di o- O x 1 P scillazione di un pendolo. Si può affermare che il periodo è direttamente proporzionale alla lunghezza del pendolo? Le Schede di tecnologia rendono più attuali i concetti della Fisica e aiutano a cogliere l utilità di quanto viene studiato a livello teorico. P A = x Fenomeni oscillatori Ogni passo si chiude con la rubrica Stop and go... utile per un applicazione immediata dei concetti appresi. I problemi sono suddivisi per paragrafi e sono di facile risoluzione. I quesiti abituano lo studente al ragionamento e gli consentono di collegare le nozioni fondamentali trattate nel testo con situazioni della vita reale. scheda di tecnologia 382 sezioned Le fibre ottiche Fenomeni oscillatori La comunicazione telefonica tradizionale utilizza cavi coassiali, formati essenzialmente da due fili di rame (doppino). Negli anni Sessanta furono inventate le fibre ottiche, che avrebbero in seguito costituito una vera e propria rivoluzione nel campo delle telecomunicazioni e in molti altri settori tecnologici, con applicazioni in medicina, astronomia... Le applicazioni in medicina, ad e- sempio, hanno permesso di effettuare diagnosi sempre più precise e conseguentemente interventi sempre meno invasivi, riducendo di molto i tempi di degenza e di guarigione. In che cosa consiste una fibra ottica? Le fibre ottiche sono costituite da sottilissimi fili di vetro o di plastica, comunque di una sostanza flessibile e molto trasparente che viene utilizzata come veicolo di trasporto di segnali luminosi, e come tali di elevata velocità (fig. 15). Figura 15 Fibre ottiche. Nelle telecomunicazioni l ordine di grandezza di trasferimento dei dati è quantificabile intorno ai gigabit/s (miliardi di bit al secondo) e le fibre ottiche sono perciò in grado di trasferire più di telefonate contemporaneamente. Esse sono costituite da un nucleo cilindrico centrale, denominato core, e da una parte esterna, denominata cladding (mantello), entrambi realizzati con silice (SiO 2 ), il principale costituente del vetro. L indice di rifrazione del mantello deve essere leggermente inferiore a quello del nucleo; questa discontinuità genera riflessione totale: gli impulsi ottici vengono immessi a un estremo del collegamento e per continue riflessioni all interno del nucleo vengono raccolti all altro e- stremo. Esternamente viene applicata una guaina protettiva in PVC. Le sezioni di una fibra ottica sono ridottissime, in quanto il nucleo ha un diametro di 50 μm o di 62,5 μm (a seconda del tipo di propagazione che si vuole realizzare), il mantello di 125 μm e tutto l insieme, compresa la guaina, ha un diametro di 250 μm. Un segnale elettrico inviato dal microfono di un telefono (trasduttore acustico-elettrico) viene codificato in se- scheda di tecnologia gnale luminoso da un laser o da un led (nel campo dell infrarosso) e dopo aver attraversato la fibra ottica ed essere giunto all altro estremo, viene ricodificato in segnale elettrico e infine l altoparlante (trasduttore e- lettrico-acustico) trasforma il segnale elettrico in acustico. Ulteriori vantaggi di questa tecnologia sono il basso costo di produzione, volumi ridottissimi, la capacità di essere insensibili alle interferenze e un basso grado di distorsione/attenuazione del segnale di soli 0,16 db/km, per cui si possono avere tratte di circa 100 km senza la necessità di amplificatori. Una fibra ottica trasmette il segnale luminoso per continue riflessioni totali. Perché ciò accada, l inclinazione del raggio luminoso che all interno della fibra ottica incide sulla superficie di separazione nucleo-mantello deve essere maggiore dell angolo limite, che dipende dagli indici di rifrazione dei due strati (fig. 16). â core cladding Figura 16 Schema di fibra ottica e del meccanismo di trasmissione del segnale luminoso. Ad esempio, se l indice di rifrazione del nucleo è n 1 = 1,47 e l indice di rifrazione del mantello vale n 2 = 1,46, l angolo limite si ricava dall espressione: 1 sen l ˆ 1,46 n n 1,2 n 1 2 = = = = 0, ,47 da cui, utilizzando la funzione arcoseno (sen 1 ) della calcolatrice scientifica, troviamo che l angolo limite è di 83,3, cioè Un raggio luminoso che incide con un angolo maggiore di subirà riflessione totale. Infine, è importante accennare anche all angolo di accettazione â. Il raggio luminoso deve essere inviato alla fibra con un angolo inferiore all angolo di accettazione, che risulta dipendere dagli indici di rifrazione n 1 e n 2 secondo la relazione: = sen a 2 n1 2 n2 â Utilizzando i valori del caso precedente ricaviamo: sen a 2 n1 2 n = = = 46 0, , 2 1, â n 1 n 2 da cui â = 9,8. 8 sezionea English for Physics Scheda n. 1 Albert Einstein ( ) Read the following text Albert Einstein was born in Ulm, Germany, in He is considered one of the greatest scientists of all times thanks to his intelligence and because of his famous theories. After graduating in 1901 from the Polytechnic of Zurich, he started to work as an examiner in the Bern Patent Vocabulary free time = tempo libero remarkable = notevole, ragguardevole, straordinario photoelectric effect = effetto fotoelettrico stream = sciame La breve lettura della rubrica English for Physics permette un primo approccio alla letteratura scientifica in lingua inglese. Office and studied physical problems in his free time. Much of his remarkable work on the relativity theory was to be awarded = essere premiato produced in this period. electromagnetic wave = The most popular among Einstein s revolutionary ideas is the one onda elettromagnetica about the equivalence between mass and energy, expressed by the equation E = mc 2, which explains how to produce nuclear energy. However, his discovery was not recognized by the scientific world at first. In fact he was only awarded the Nobel prize for Physics in 1921 for his work on the photoelectric effect published in Einstein also demonstrated that light has a double nature: sometimes it behaves as an electromagnetic wave, and sometimes it behaves as a stream of energy particles known as photons. In 1933 he left Nazi Germany and he emigrated to the United States, where he became Professor of Theoretical Physics at the University of Princeton where he died in Per facilitare la comprensione è stato inserito un piccolo vocabolario dei termini più difficili. Comprehension Multiple choice Albert Einstein was born: a in Germany b in Switzerland c in the United States After his studies, Albert La lettura è seguita da una piccola attività, per consolidare concetti e vocaboli appresi. Einstein worked as patent examiner: a in Germany b in Switzerland c in the United States In the world of Physics there are endless solutions Einstein won the Nobel prize in Physics for his work on: a the atomic bomb b the theory of relativity c the photoelectric effect La presenza di una vignetta costituisce un ulteriore stimolo visivo.

6 8. Calcola quanto tempo impiega un raggio laser per raggiungere uno specchio posto sulla superficie della Luna e quindi tornare sulla Terra. Considera che 392 sezioned Fenomeni oscillatori In questa unità abbiamo imparato La luce A fine unità una mappa concettuale aiuta a fissare i concetti e le formule più importanti. La riflessione consiste nel rinvio subìto da un raggio luminoso quando colpisce una superficie liscia e ben levigata All interno di un mezzo omogeneo la luce si propaga in linea retta, ovvero mediante raggi luminosi La rifrazione consiste nel cambiamento della direzione di propagazione subìto da un raggio luminoso nel passaggio da un mezzo trasparente a un altro di natura diversa. Legge della rifrazione: Leggi della riflessione: a) il raggio incidente, la normale alla superficie riflettente e il raggio riflesso giacciono in uno stesso piano; b) l angolo di incidenza î è uguale all angolo di riflessione rˆ Dispersione della luce: facendo passare un fascio di luce bianca proveniente dal Sole, cioè luce naturale, attraverso un materiale trasparente (vetro, plexiglass ) a forma di prisma si forma su uno schermo bianco un insieme di colori, detto spettro luminoso sen î n 1,2 = sen rˆ Una lente è un sistema ottico rifrangente limitato da due superfici curve, oppure da una superficie curva e una piana. Il cristallino del nostro occhio non è altro che una lente che convoglia i raggi luminosi sulla rètina Problemi di fine unità una lastra di vetro interposta fra l aria e l acqua. Sapendo che l angolo di incidenza nel passaggio dall aria al vetro è di 70 e che gli indici di rifrazione assoluti valgono: per l aria 1,00029, per l acqua 1,333, per il vetro 1,517, calcola: a) l indice di rifrazione del vetro relativo all aria; b) l indice di rifrazione dell acqua relativo al vetro; unità 17 La luce 1. Un raggio luminoso monocromatico attraversa 4. Un prisma di vetro ha per sezione un triangolo rettangolo isoscele. L indice di rifrazione del vetro del prisma relativo all aria è 1,55. Calcola l angolo limite del vetro del prisma. Disegna il percorso di un raggio luminoso monocromatico inviato sul prisma nei due casi illustrati in figura: a) il prisma è nell aria; Quando un raggio luminoso passa da un mezzo trasparente più rifrangente (ad esempio acqua) a uno meno rifrangente (ad esempio aria) si verifica la riflessione totale se l angolo di incidenza del raggio luminoso sulla superficie di separazione supera l angolo limite 1 sen lˆ = n 1,2 La luce proveniente dal Sole è una forma di radiazione elettromagnetica che ha una particolare collocazione all interno del più vasto spettro della radiazione elettromagnetica Nel vuoto le onde luminose si propagano a una velocità estremamente elevata, la velocità della luce c = m/s L effetto fotoelettrico mostra che la luce ha una duplice natura: corpuscolare e ondulatoria Le lenti si distinguono in convergenti e divergenti Considerato un punto luminoso P, la lente fornisce una sua immagine nel punto Q. I punti P e Q si dicono coniugati. Per una lente sottile e di piccola apertura vale la legge dei punti coniugati: = p q f L ingrandimento di una lente è il rapporto di similitudine fra l immagine e l oggetto q G = p c) l angolo di rifrazione nel passaggio dall aria al vetro; d) l angolo di rifrazione nel passaggio dal vetro all acqua. Infine, disegna il percorso del raggio luminoso. Il raggio emergente dalla lastra di vetro risulta parallelo al raggio che, nell aria, incide sulla lastra? aria vetro acqua î 2. Un raggio luminoso incide su una lastra di vetro rˆ rˆ r ˆ b) il prisma è all interno di una vasca d acqua. Considera che l indice di rifrazione dell acqua relativo all aria è 1, aria a) b) 45 acqua 5. Una lente convergente di 4 diottrie ingrandisce 10 volte l immagine di un oggetto AB. Calcola il fuoco della lente. Calcola la distanza lente-oggetto e la distanza lente-immagine. 6. Calcola a quali distanze da una lente convergente di 5 diottrie occorre collocare un oggetto alto 10 cm e lo schermo affinché l immagine prodotta risulti alta il triplo dell oggetto. 7. Una lente convergente ha il potere diottrico di 5 diottrie. A quale distanza p dalla lente occorre porre un oggetto affinché la sua immagine si Fenomeni oscillatori avente due facce piane e parallele. Con considerazioni geometriche dimostra che il raggio emergente dalla lastra è parallelo al raggio incidente. formi a una distanza dalla lente q = 2p? Quanto vale l ingrandimento? Lo svolgimento dei Problemi di fine unità richiede la comprensione e l applicazione dei concetti di tutta l unità. î vetro 3. Si può costruire un periscopio disponendo alle estremità di un condotto due prismi a riflessione totale, come mostrato in figura. Disegna il cammino del raggio luminoso incidente dimostrando che raggiunge l occhio dell osservatore. r ˆ la distanza Terra-Luna è di circa km. 9. Costruisci graficamente l immagine dell oggetto AB, disposto a una distanza dalla lente compresa tra il fuoco e il doppio della distanza focale. L immagine che si ricava è reale/virtuale, diritta/capovolta e rimpicciolita/ingrandita. A F 1 B f 2f 394 sezioned Apprendere Fenomeni oscillatori Verifica la tua preparazione 1. La velocità di propagazione della luce nel vuoto vale circa: km/s m/s m/s km/h a b c d 2. La velocità di propagazione della luce in un mezzo trasparente di indice di rifrazione n vale: cn c/n c n/c a b c d 3. Un lente è convergente se è di tipo: a b c d biconcava menisco divergente biconvessa piano-concava 4. La legge dei punti coniugati per una lente sottile è: a b c d 1/p 1/q = 1/f 1/p + 1/q = 1/f 1/p 1/q = 1/f p + q = f 5. L ingrandimento di una lente si calcola: a b c d G = q + p G = p/q G = 1/f G = q/p 6. La relazione fra velocità, lunghezza d onda e frequenza della luce è: c = λf c = f/λ c = λ/f c = vf a b c d Comprendere 7. Quando il raggio rifratto si avvicina alla normale alla superficie di separazione, significa che: l angolo di incidenza è quasi di 90 il primo mezzo è più rifrangente del secondo mezzo a b c d i due mezzi sono uguali il secondo mezzo è più rifrangente del primo 8. Un fascio di raggi luminosi paralleli incide su u- na lente convergente. I raggi che emergono dalla lente: sono ancora paralleli divergono, passando per il fuoco della lente convergono nel fuoco non si può rispondere: occorrerebbe conoscere la forma della lente a b c d 9. Un raggio luminoso che attraversa una lente sottile passando per il centro ottico: viene riflesso subisce rifrazione, cambiando la direzione di propagazione prosegue in direzione parallela a quella di provenienza prosegue lungo la direzione di provenienza a b c d 10. Una sorgente luminosa è posta nel fuoco di u- na lente convergente. I raggi luminosi che e- mergono dalla lente: sono divergenti sono paralleli convergono nell altro fuoco della lente sono diffusi in tutte le direzioni a b c d Applicare 11. Una lente da 4 diottrie è: a b c d divergente con f = 25 cm convergente con f = 0,25 m divergente con f = 4 m convergente con f = 0,25 m 12. Una lente convergente ha il potere diottrico di 5 diottrie. Affinché l immagine di un oggetto si formi a una distanza dalla lente (q) doppia della distanza fra l oggetto e la lente (p), deve essere: p = 3,3 m p = 0,3 cm p = 0,2 m p = 0,3 m a c 13. La frequenza di una radiazione luminosa che si propaga nel vuoto con λ = 0,75 μm vale: Hz 2, Hz 0, Hz Hz a b c d b d La Prova strutturata rappresenta una simulazione delle prove di verifica. Ogni sezione si chiude con le soluzioni raccolte per unità. Un test permette di verificare il grado di preparazione raggiunto alla fine di ogni unità. Prova strutturata 1. Un raggio luminoso viene riflesso da un sistema di specchi piani. Individua il punto dello schermo illuminato dal raggio. specchio laser Scrivi le due leggi della riflessione della luce: Considera la rifrazione di un raggio luminoso nel passaggio da un mezzo trasparente a un altro. Utilizzando un righello o un goniometro, ricava l indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo. mezzo 1 mezzo 2 a) A H K schermo A H mezzo 1 mezzo 2 K B b) Nel caso a) l indice di rifrazione n 1,2 vale..., perciò si dice che il secondo mezzo è più/meno rifrangente del primo mezzo. Nel caso b) l indice di rifrazione n 1,2 vale..., perciò si dice che il secondo mezzo è più/meno rifrangente del primo mezzo. L indice di rifrazione relativo n 1,2 del secondo mezzo rispetto al primo è definito come:... B unità 17 La luce 3. Osserva la lente biconvessa della figura. Disegna l asse ottico, i raggi di curvatura, i centri di curvatura e il centro ottico. 4. Costruisci l immagine dell oggetto AB sapendo che esso dista 17 cm da una lente convergente avente distanza focale di 10 cm. A B F 1 q =... cm L immagine dell oggetto risulta reale/virtuale, diritta/capovolta, ingrandita/rimpicciolita. L ingrandimento si calcola G =... e in questo caso vale La velocità della luce nel vuoto è: a ,458 m/s b km/h c ,458 km/s d km/h 2f 6. Ordina le radiazioni che compongono la luce solare (azzurro, giallo, violetto, rosso, verde, a- rancione) per valori crescenti di frequenza.... f Completa le seguenti frasi. Le frequenze della luce solare variano dal valore minimo di... Hz per la radiazione di colore... al valore massimo di... Hz per la radiazione di colore... Le lunghezze d onda della luce solare variano dal valore minimo di... nm per la radiazione di colore... al valore massimo di... nm per la radiazione di colore... Fenomeni oscillatori

7 Indice sezione a unità 1Le scienze sperimentali 1.1 Che cosa studia la fisica Professione scienziato L eterna sete di conoscenza: brani di documentazione La scienza moderna La sperimentazione L imprevisto e l intuizione 7 English for Physics 8 Problemi di fine unità 9 unità2 Le grandezze fisiche Il Sistema Internazionale 2.1 Grandezze fisiche e loro misura Il Sistema Internazionale L unità di misura della lunghezza L unità di misura dell intervallo di tempo L unità di misura della massa Multipli e sottomultipli Notazione esponenziale scientifica Ordini di grandezza 16 Stop and go... Il Sistema Internazionale 17 Metodi e strumenti di misura 2.9 Come si esegue una misurazione Multipli e sottomultipli delle unità di area e di volume Strumenti di misura e loro caratteristiche 20 scheda di tecnologia Il calibro 23 Laboratorio La misura del volume dei corpi Misure di densità Cifre significative di una misura 27 Strumenti, modelli e procedure RCS LIBRI EDUCATION SPA scheda di tecnologia La misurazione di una distanza inaccessibile con il metodo della triangolazione 29 Stop and go... Metodi e strumenti di misura 30 Valutazione degli errori di misura 2.14 Gli errori di misura Errori di misura sistematici Errori di misura accidentali (o casuali) Il calcolo del valor medio di una serie di misure Il calcolo dell errore assoluto Il calcolo dell errore relativo Il calcolo dell errore nelle misure indirette 37 Stop and go... Valutazione degli errori di misura 39 In questa unità abbiamo imparato 40 Problemi di fine unità 41 Verifica la tua preparazione 42 Prova strutturata 43 unità3 La relazione fra le grandezze 3.1 La proporzionalità diretta fra le grandezze La relazione di proporzionalità inversa La relazione quadratica 49 Laboratorio Dai dati sperimentali al grafico L interpolazione e l estrapolazione 51 In questa unità abbiamo imparato 53 Problemi di fine unità 54 Verifica la tua preparazione 56 Prova strutturata 57 Soluzioni sezione a 58

8 VIII Indice sezione b Fenomeni meccanici unità 4.1 Che cos è una forza Come si misura una forza Il peso dei corpi Il peso specifico La taratura di una molla La forza elastica Il dinamometro 66 Laboratorio Studio dell allungamento di una molla 67 In questa unità abbiamo imparato 68 Problemi di fine unità 69 Verifica la tua preparazione 70 Prova strutturata 71 unità 4 La misura delle forze 5 L equilibrio delle forze Le operazioni con i vettori 5.1 Il problema dell equilibrio Grandezze fisiche scalari e grandezze fisiche vettoriali La somma delle forze La scomposizione di un vettore Esempi di calcolo delle componenti cartesiane di un vettore La differenza di vettori Il prodotto di un vettore per uno scalare 79 Stop and go... Le operazioni con i vettori 80 L equilibrio di un punto e di un corpo appoggiato 5.8 La condizione di equilibrio di un punto materiale Il peso dei corpi L equilibrio di un corpo appoggiato su un piano orizzontale L equilibrio di un corpo appoggiato su un piano inclinato 84 English for Physics 85 Stop and go... L equilibrio di un punto e di un corpo appoggiato 86 In questa unità abbiamo imparato 88 Problemi di fine unità 89 Verifica la tua preparazione 90 Prova strutturata 91 unità 6 Le macchine semplici Le leve e le carrucole 6.1 Che cos è una macchina L equilibrio di un asta fulcrata al centro Il momento di una forza Le leve Leva di secondo e terzo genere Le carrucole 99 Stop and go... Le leve e le carrucole 100 Forze applicate a un corpo rigido. Il baricentro e l equilibrio dei corpi 6.7 Forze applicate a un corpo rigido Risultante di forze concorrenti Risultante di forze parallele concordi Risultante di forze parallele discordi La coppia di forze L equilibrio del corpo rigido La posizione del baricentro e l equilibrio dei corpi 107 Laboratorio Determinazione del baricentro 107 Stop and go... Forze applicate a un corpo rigido. Il baricentro e l equilibrio dei corpi 109 scheda di tecnologia Il sistema biella-manovella 110 In questa unità abbiamo imparato 111 Problemi di fine unità 112 Verifica la tua preparazione 114 Prova strutturata 115 unità7 La pressione e l equilibrio dei fluidi Pressione e principio di Pascal 7.1 Forza e pressione Il principio di Pascal Un applicazione del principio di Pascal: il torchio idraulico 119 Stop and go... Pressione e principio di Pascal 121 Pressione atmosferica e pressione idrostatica 7.4 La pressione atmosferica La legge di Stevin Alcune conseguenze della legge di Stevin La misura della pressione atmosferica La spinta di Archimede 127

9 Indice IX 7.9 Il galleggiamento dei corpi 128 scheda di tecnologia Le pompe per i liquidi 130 Stop and go... Pressione atmosferica e pressione idrostatica 131 In questa unità abbiamo imparato 132 Problemi di fine unità 133 Verifica la tua preparazione 134 Prova strutturata 135 unità8 Il moto rettilineo uniforme 8.1 Lo studio del movimento 136 Laboratorio La rotaia a cuscino d aria Il punto materiale Il sistema di riferimento La traiettoria del moto La posizione di un punto e la distanza percorsa Velocità media di un punto Il diagramma orario e il calcolo della velocità media Che cos è il moto rettilineo uniforme La legge oraria e il diagramma orario del moto rettilineo uniforme La legge oraria e il diagramma orario del moto rettilineo uniforme (caso generale) 145 English for Physics 146 In questa unità abbiamo imparato 147 Problemi di fine unità 148 Verifica la tua preparazione 150 Prova strutturata 151 unità 9 Il moto rettilineo uniformemente accelerato La velocità nel moto rettilineo uniformemente accelerato 9.1 Accelerazione di un punto materiale Grandezze cinematiche medie e istantanee Il moto rettilineo uniformemente accelerato 154 Stop and go... La velocità nel moto rettilineo uniformemente accelerato 157 Lo spazio percorso nel moto rettilineo uniformemente accelerato 9.4 La legge oraria (con v 0 = 0) Il diagramma orario La legge oraria (caso generale) Un ulteriore equazione del moto accelerato Corpi che cadono al suolo Corpi lanciati verso l alto Interpretazione grafica delle grandezze cinematiche medie e istantanee 166 Stop and go... Lo spazio percorso nel moto rettilineo uniformemente accelerato 168 In questa unità abbiamo imparato 170 Problemi di fine unità 171 Verifica la tua preparazione 172 Prova strutturata 173 unità 10 Il moto circolare 10.1 Il sistema di riferimento per i moti nel piano La velocità e l accelerazione sono grandezze vettoriali Il moto circolare uniforme La velocità tangenziale L accelerazione centripeta La velocità angolare 180 Stop and go... Il moto circolare 181 Il moto parabolico 10.7 Il moto dei proiettili La traiettoria del proiettile Il tempo di volo e la gittata del proiettile La velocità del proiettile 184 Stop and go... Il moto parabolico 185 In questa unità abbiamo imparato 186 Problemi di fine unità 187 Verifica la tua preparazione 188 Prova strutturata 189 unità I moti nel piano 11 Le forze e il movimento Le leggi della dinamica 11.1 La dinamica Il principio di inerzia La legge fondamentale della dinamica Massa e peso dei corpi La legge di gravitazione universale Il terzo principio della dinamica Le forze di attrito radente Una legge empirica per la forza di attrito radente Forza di attrito per un corpo appoggiato su un piano inclinato Le forze di attrito volvente 201 Stop and go... Le leggi della dinamica 202 Applicazioni delle leggi della dinamica Un applicazione del principio di inerzia Il movimento di un corpo soggetto a una forza costante 204 scheda di tecnologia La frenata Il moto di un corpo lungo un piano inclinato (liscio) 208

10 X Indice Il moto di un corpo lungo un piano inclinato (scabro) 208 Laboratorio Il piano inclinato di Galileo Un applicazione delle leggi della dinamica ai moti circolari: le forze centripete Alcuni esempi di movimento in cui interviene la forza centripeta Un applicazione della legge di gravitazione universale: il moto dei satelliti 211 Stop and go... Applicazione delle leggi della dinamica 213 English for Physics 214 Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali I sistemi di riferimento inerziali Le equazioni di trasformazione di Galileo Composizione delle velocità I sistemi di riferimento non inerziali Le forze centrifughe 219 Stop and go... Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali 221 scheda di tecnologia La regolazione del moto rotatorio 222 In questa unità abbiamo imparato 223 Problemi di fine unità 224 Verifica la tua preparazione 226 Prova strutturata 227 unità I principi di conservazione Il lavoro delle forze e l energia meccanica 12.1 Definizione di lavoro Calcolo del lavoro quando la forza non ha la direzione dello spostamento La potenza Il concetto di energia L energia cinetica Il teorema dell energia cinetica L energia potenziale gravitazionale L energia potenziale elastica L energia meccanica 237 Stop and go... Il lavoro delle forze e l energia meccanica 238 La conservazione dell energia L energia si trasforma Un esempio di trasformazione dell energia meccanica L energia meccanica si conserva Il principio di conservazione dell energia meccanica La conservazione dell energia totale Il moto di un fluido ideale 245 scheda di tecnologia I sistemi pneumatici e oleodinamici La portata di un condotto L equazione di Bernoulli 248 English for Physics 249 scheda di tecnologia Le energie rinnovabili: geotermica, eolica, da biomasse 250 Stop and go... La conservazione dell energia 251 RCS LIBRI EDUCATION SPA La conservazione della quantità di moto La quantità di moto Gli urti La conservazione della quantità di moto negli urti La conservazione della quantità di moto nei sistemi isolati 255 Stop and go... La conservazione della quantità di moto 257 La conservazione del momento angolare Dinamica del corpo rigido Il moto traslatorio di un corpo rigido Il moto rotatorio di un corpo rigido L energia cinetica di un corpo rigido in rotazione Il momento angolare e la sua conservazione Un esempio di conservazione del momento angolare 262 Stop and go... La conservazione del momento angolare 264 In questa unità abbiamo imparato 265 Problemi di fine unità 266 Verifica la tua preparazione 268 Prova strutturata 269 Soluzioni sezione b 270

11 Indice XI sezione c Fenomeni termici unità 13 Temperatura e calore La misura della temperatura 13.1 La temperatura e l equilibrio termico I termometri La scala Celsius delle temperature Temperatura e variazione di temperatura La misura della temperatura nel Sistema Internazionale La legge della dilatazione termica lineare La legge della dilatazione termica per i solidi e i liquidi 280 Stop and go... La misura della temperatura 281 Il calore e la sua propagazione 13.8 Temperatura e calore Che cos è il calore? La legge fondamentale della calorimetria Le unità di misura del calore Il calorimetro La temperatura di equilibrio di due masse d acqua L equivalente in acqua del calorimetro La misura del calore specifico con un calorimetro La propagazione del calore La conduzione La legge della conduzione La convezione L irraggiamento 290 scheda di tecnologia Il fabbisogno termico degli edifici 291 scheda di tecnologia I sistemi solari termici 292 Stop and go... Il calore e la sua propagazione 293 In questa unità abbiamo imparato 294 Problemi di fine unità 295 Verifica la tua preparazione 296 Prova strutturata 297 unità 14 I passaggi di stato e le leggi dei gas I passaggi di stato 14.1 Gli stati di aggregazione della materia Gli atomi I nomi dei passaggi di stato Le leggi della fusione e della solidificazione 300 English for Physics La vaporizzazione e la condensazione Il sistema solido-gas L interpretazione microscopica dei passaggi di stato 305 scheda di tecnologia Il ghiaccio secco. L aria liquida 306 Stop and go... I passaggi di stato 307 Le leggi dei gas 14.8 Le trasformazioni dei gas L equazione di stato dei gas perfetti I gas perfetti Le trasformazioni isoterme Le trasformazioni isobare Le trasformazioni isocore Lo zero assoluto 314 Stop and go... Le leggi dei gas 315 In questa unità abbiamo imparato 316 Problemi di fine unità 317 Verifica la tua preparazione 318 Prova strutturata 319 unità Le macchine termiche Il primo principio della termodinamica 15.1 L energia interna Equivalenza tra lavoro e calore Il tasso di cambio fra lavoro e calore Il lavoro di un gas Trasformazioni reversibili e irreversibili Le trasformazioni cicliche Il lavoro di un gas in una qualsiasi trasformazione Il primo principio della termodinamica Alcune applicazioni del primo principio della termodinamica 328 Stop and go... Il primo principio della termodinamica 329 Il secondo principio della termodinamica Le macchine termiche Il ciclo di Carnot Il rendimento del ciclo di Carnot 322 scheda di tecnologia La pompa di calore 334

12 XII Indice Il secondo principio della termodinamica 335 scheda di tecnologia Il motore a scoppio 336 Stop and go... Il secondo principio della termodinamica 337 In questa unità abbiamo imparato 338 Problemi di fine unità 339 Verifica la tua preparazione 340 Prova strutturata 341 Soluzioni sezione c 342 sezione d Fenomeni oscillatori unità 16 Le onde meccaniche Il moto armonico 16.1 I fenomeni ondulatori Il moto armonico La legge oraria del moto armonico La velocità e l accelerazione nel moto armonico L oscillatore armonico Un esempio di moto armonico: il moto del pendolo 350 Stop and go... Il moto armonico 351 Le caratteristiche delle onde 16.7 Le onde in una corda Onde trasversali e onde longitudinali Le onde armoniche Le grandezze caratteristiche di un onda Le onde alla superficie dei liquidi e nello spazio La velocità di propagazione delle onde L energia di un onda L intensità di un onda 357 Stop and go... Le caratteristiche delle onde 358 La propagazione delle onde La riflessione delle onde La rifrazione delle onde Il principio di sovrapposizione delle onde L interferenza delle onde La diffrazione delle onde Le onde stazionarie Le onde sonore Le caratteristiche dei suoni L effetto Doppler 366 Stop and go... La propagazione delle onde 367 scheda di tecnologia L inquinamento acustico 368 In questa unità abbiamo imparato 369 English for Physics 370 Problemi di fine unità 371 Verifica la tua preparazione 372 Prova strutturata 373 unità 17 La luce La propagazione della luce 17.1 L ottica I raggi luminosi L intensità luminosa La riflessione della luce L immagine prodotta da uno specchio piano La rifrazione della luce La riflessione totale L indice di rifrazione assoluto 381 scheda di tecnologia Le fibre ottiche La dispersione della luce 383 Stop and go... La propagazione della luce 384 Le lenti. La natura della luce Le lenti La legge dei punti coniugati per le lenti 386 English for Physics Costruzione dell immagine prodotta da una lente La natura ondulatoria della luce L effetto fotoelettrico 390 Stop and go... Le lenti. La natura della luce 391 In questa unità abbiamo imparato 392 Problemi di fine unità 393 Verifica la tua preparazione 394 Prova strutturata 395 Soluzioni sezione d 396

13 Indice XIII sezione e Fenomeni elettromagnetici unità 18 Fenomeni elettrici e modelli atomici 18.1 Fenomeni elettrici elementari Metodi di elettrizzazione Le forze elettriche: la legge di Coulomb La struttura atomica della materia La struttura dell atomo Gli ioni Le proprietà elettriche dei corpi alla luce della teoria atomica della materia 404 In questa unità abbiamo imparato 406 Problemi di fine unità 407 Verifica la tua preparazione 408 Prova strutturata 409 unità 19 Il campo elettrico e il potenziale elettrico Il campo elettrico 19.1 Il concetto di campo Il campo elettrico Il campo elettrico di una carica puntiforme Le linee di forza dei campi Il campo elettrico è un campo vettoriale Il principio di sovrapposizione dei campi Un esempio di campo elettrico uniforme 415 Stop and go... Il campo elettrico 416 L energia potenziale e il potenziale elettrico 19.8 L energia potenziale elettrica Campo elettrico uniforme: calcolo dell energia potenziale elettrica Campo elettrico di una carica puntiforme: calcolo dell energia potenziale elettrica Il potenziale elettrico La differenza di potenziale elettrico La relazione fra il campo elettrico e il potenziale elettrico Il moto delle cariche nei campi elettrici 422 Stop and go... L energia potenziale e il potenziale elettrico 423 I condensatori Il potenziale elettrico di un conduttore La messa a terra di un conduttore Il campo elettrico e il potenziale elettrico di una sfera carica La capacità elettrica di un conduttore Il condensatore L energia di un condensatore Il collegamento dei condensatori 429 Stop and go... I condensatori 431 In questa unità abbiamo imparato 432 Problemi di fine unità 433 Verifica la tua preparazione 434 Prova strutturata 435 unità 20 La corrente elettrica e i circuiti elettrici RCS LIBRI EDUCATION SPA La corrente elettrica e le leggi di Ohm 20.1 L invenzione della pila 436 Laboratorio Costruiamo una pila Il circuito elettrico Che cos è la corrente elettrica? L intensità della corrente elettrica Gli strumenti di misura elettrici 441 English for Physics 441 scheda di tecnologia I pericoli della corrente elettrica La resistenza elettrica di un conduttore La prima legge di Ohm La seconda legge di Ohm Resistenza e temperatura 445 scheda di tecnologia Gli elementi del circuito elettrico 446 Stop and go... La corrente elettrica e le leggi di Ohm 449 I circuiti elettrici Il ruolo del generatore Il generatore elettrico e la potenza elettrica Le caratteristiche del generatore La legge di Ohm estesa all intero circuito Il collegamento delle resistenze in serie Il collegamento delle resistenze in parallelo L effetto Joule della corrente elettrica La carica e la scarica del condensatore 458 scheda di tecnologia Dall elettrone al chip: la rivoluzione microelettronica 460 Stop and go... I circuiti elettrici 462 In questa unità abbiamo imparato 463 Problemi di fine unità 464 Verifica la tua preparazione 466 Prova strutturata 467

14 XIV Indice unità 21 Il campo magnetico La misura del campo magnetico 21.1 Magneti naturali Somiglianze e differenze fra i fenomeni elettrici e quelli magnetici La scoperta dell elettromagnetismo Il campo magnetico Il vettore campo magnetico Il campo magnetico generato dalla corrente Magneti naturali e magneti artificiali Il campo magnetico nella materia Interpretazione microscopica delle proprietà magnetiche della materia 475 Stop and go... La misura del campo magnetico 476 L azione del campo magnetico sulle cariche e sulle correnti elettriche Il movimento delle cariche elettriche nei campi magnetici La forza agente su un conduttore percorso da corrente Le forze agenti tra due fili percorsi da corrente Le forze agenti su una spira percorsa da corrente La spiegazione dell esperimento di Oersted Il motore elettrico 482 Stop and go... L azione del campo magnetico sulle cariche e sulle correnti elettriche 483 In questa unità abbiamo imparato 484 Problemi di fine unità 485 Verifica la tua preparazione 486 Prova strutturata 487 unità 22 L induzione elettromagnetica e le onde elettromagnetiche Le correnti indotte 22.1 La scoperta delle correnti indotte Il flusso del campo magnetico La legge di Faraday-Neumann La legge di Lenz Il coefficiente di autoinduzione di un circuito Il circuito R-L in continua 493 Stop and go... Le correnti indotte 494 La corrente alternata. Le onde elettromagnetiche 22.7 La corrente alternata L alternatore La potenza dissipata per effetto Joule dalla corrente alternata Il trasporto della corrente alternata Il trasformatore 498 English for Physics 499 scheda di tecnologia Le turbine idrauliche Le ricerche di Maxwell Le esperienze di Hertz e di Marconi Le caratteristiche delle onde elettromagnetiche 503 Stop and go... La corrente alternata. Le onde elettromagnetiche 505 scheda di tecnologia L inquinamento elettromagnetico 506 In questa unità abbiamo imparato 507 Problemi di fine unità 508 Verifica la tua preparazione 509 Prova strutturata 510 Soluzioni sezione e 511 Glossario generale 513 Indice analitico 515

15 Simboli delle grandezze A ampiezza moto armonico / area / ampiezza dell onda B vettore campo magnetico C capacità termica / capacità del condensatore D diametro ΔS variazione di entropia ΔV differenza di potenziale elettrico / tensione E campo elettrico E c energia cinetica E M energia meccanica E a errore assoluto E r errore relativo F forza / forza equilibrante F m forza motrice F p forza premente F r forza resistente F A spinta di Archimede F at forza di attrito Φ(B) flusso del campo magnetico G costante gravitazionale / ingrandimento di una lente guadagno G baricentro H flusso di calore I intensità dell onda / intensità luminosa I impulso della forza J equivalente meccanico della caloria / livello sonoro L lavoro di una forza / induttanza M momento di una forza N numero di spire O fulcro / centro di rotazione P potenza P peso P II componente del peso parallelo al piano inclinato P componente del peso perpendicolare al piano inclinato Q carica elettrica / calore assorbito o ceduto Q f calore latente di fusione Q v calore latente di vaporizzazione R resistenza elettrica R risultante delle forze R v reazione vincolare S superficie / sezione S e sensibilità dello strumento T periodo / temperatura in K T e tensione della fune U energia interna U e energia potenziale elettrica U el energia potenziale elastica U g energia potenziale gravitazionale V volume / potenziale elettrico a accelerazione a m accelerazione media α angolo / coefficiente di dilatazione dei gas b braccio della forza c calore specifico d densità Δl allungamento della molla Δs spostamento / distanza / spazio Δt intervallo di tempo ε 0 costante dielettrica del vuoto ε r costante dielettrica relativa η rendimento di una macchina f frequenza / distanza focale di uno specchio f.e.m. forza elettromotrice f.e.m. i forza elettromotrice indotta φ angolo di fase g accelerazione di gravità h quota / altezza i intensità della corrente elettrica k costante di proporzionalità / di elasticità / elettrica / coefficiente di dilatazione cubica / conducibilità termica λ coefficiente di dilatazione lineare / lunghezza d onda l lunghezza / del piano inclinato / della molla / del solenoide l 0 lunghezza a riposo della molla m massa m e massa equivalente m u densità lineare μ coefficiente di attrito μ 0 permeabilità magnetica del vuoto μ r permeabilità magnetica relativa p pressione p s peso specifico q carica di prova q quantità di moto r raggio / distanza fra i centri ρ resistività elettrica s spostamento t temperatura in C / istante di tempo t e temperatura di equilibrio τ costante di tempo u velocità nei moti relativi v velocità v m velocità media x misura generica x g gittata del proiettile x m valor medio ω velocità angolare

16 RCS LIBRI EDUCATION SPA

17 sezione a unità 1 Le scienze sperimentali unità 2 Le grandezze fisiche unità 3 La relazione fra le grandezze Quanto è lontana Vega, la stella in fotografia? Come si misura la sua distanza? Strumenti, modelli e procedure È necessario conoscere e saper operare con: Le quattro operazioni aritmetiche Le proprietà delle potenze Le formule per l area di figure piane e il volume di solidi La rappresentazione di un punto su un asse cartesiano e nel piano cartesiano

18 unità1 Le scienze sperimentali Obiettivi di apprendimento Descrivere le principali caratteristiche del metodo scientifico-sperimentale Descrivere l efficacia e i limiti del metodo scientifico-sperimentale Sviluppare la capacità di osservazione Imparare a formulare domande su un fenomeno fisico Formulare semplici ipotesi interpretative di fenomeni fisici osservati, trarre alcune conseguenze e progettare la loro verifica sperimentale 1.1 Figura 1 Un ingrandimento del pianeta Nettuno. La sua temperatura superficiale è di circa 220 C e il suo periodo di rivoluzione intorno al Sole è di 164,8 anni. Che cosa studia la fisica La fisica studia i fenomeni naturali ricercando le leggi che li governano. Forse non ci crederete, ma gli scienziati hanno scoperto che tra qualunque coppia di corpi agisce una forza di attrazione chiamata forza di gravità. Il nostro peso non è altro che la forza di attrazione che la Terra esercita su di noi. L aspetto più sorprendente è che è possibile calcolare il valore di questa forza mediante una relazione matematica scoperta da Newton nel XVII secolo: la legge di gravitazione universale. La conoscenza delle leggi della natura permette non solo di spiegare quanto si osserva, ma anche di fare previsioni e scoprire nuovi fenomeni. In base ai calcoli svolti dagli astronomi Adams e Le Verrier, utilizzando la legge di gravitazione universale, si fece la previsione dell esistenza di un nuovo pianeta del sistema solare che doveva trovarsi oltre l orbita di Urano. Tale pianeta venne osservato nel A esso fu dato il nome di Nettuno (fig. 1). Un secondo esempio. La scoperta delle onde elettromagnetiche, grazie a cui la televisione o il cellulare funzionano, fu una brillante conferma di quanto il fisico J.K. Maxwell aveva predetto per via puramente teorica. Grazie allo studio della fisica sarai in grado di spiegarti il perché di molti comportamenti che osservi nella vita quotidiana, ad esempio perché tutti i corpi cadono al suolo o perché quando percorriamo una curva in automobile ci sentiamo spinti verso l esterno della traiettoria. 1.2 (*) Il termine metodo deriva dalle due parole della lingua greca metá e hodós che significano attraverso e strada. Letteralmente significa attraverso il cammino. Nella lingua italiana è utilizzato per indicare un procedimento da seguire. Professione scienziato Le scoperte scientifiche che descriveremo nelle pagine di queste unità sono state compiute da scienziati. Attualmente in Italia sono dediti a questa professione decine di migliaia di persone, che dividono il loro impegno tra le attività di ricerca e quelle di docenza nelle Università. Vi è una notevole varietà di attività e di ruoli in quella che, globalmente, chiamiamo ricerca scientifica; tuttavia è possibile riconoscere nell opera degli scienziati un comune denominatore. Ciò che li distingue professionalmente da altre categorie di lavoratori è il costante utilizzo nella loro attività del metodo (*) scientifico-sperimentale. Esso si è rivelato un potente ed efficace metodo di indagine, capace di mostrare la concordanza fra le costruzioni teoriche e la realtà dei fatti e conferendo alla scienza quel valore, non

19 unità1le scienze sperimentali 3 solo puramente conoscitivo, ma anche pratico e applicativo che oggi è sotto gli occhi di tutti. È di questo metodo che vogliamo parlare. Documenti 1.3 L eterna sete di conoscenza: brani di documentazione Le scienze della natura sono nate innanzitutto dal desiderio di conoscere il mondo che ci circonda e solo in un momento successivo sono state rivolte alle applicazioni. A differenza delle altre specie viventi, l uomo ha una caratteristica singolare che lo rende unico in tutto l Universo: stiamo parlando della facoltà di domandarsi perché. Tra le numerosissime documentazioni di questa facoltà, che si voglia chiamare intelligenza o ragione o autocoscienza, ne abbiamo scelte alcune a scopo esemplificativo. Dopo aver letto ogni brano, individua chi è l autore (poeta, scienziato, filosofo...) e traduci in forma esplicita le principali domande che ogni brano vuole esprimere. Brano n. 1 «È dunque il sole che fa ruotare i pianeti attorno a sé con la rotazione del suo corpo? E come può, essendo il sole privo delle mani con cui potrebbe afferrare un pianeta così lontano, e, ruotando su se stesso, trascinarlo con sé?» Johannes Kepler, Epitome Astronomiae Copernicanae, 1617, trad. di A. Koyré, in La révolution astronomique, Hermann, Paris 1961 Brano n. 2 «Non è una questione indifferente se le ultime parti di un corpo, come l acqua, sono tutte uguali, cioè di uguale configurazione, di uguale peso, eccetera. Ciò che noi sappiamo non offre alcun motivo di supporre alcuna diversità in questi caratteri particolari: esisterebbe nell acqua, in quanto dovrebbe allo stesso modo trovarsi negli elementi che costituiscono l acqua, cioè l idrogeno e l ossigeno.» John Dalton, A New System of Chemical Philosophy, trad. J. Guillerme, Manchester 1808 Brano n. 3 «Il mondo è diviso in spirito e materia, e, se lo è, che cos è spirito e che cos è materia? Lo spirito è soggetto alla materia o è investito di poteri indipendenti? L universo ha un unità di scopo? Sta evolvendo verso qualche meta? Vi sono realmente leggi di natura, o noi crediamo in esse soltanto per il nostro innato amore per l ordine? [ ] A tali domande non si può trovare risposta in laboratorio [ ] Lo studio di questi problemi, se non la loro soluzione, è compito della filosofia.» Bertrand Russell, Storia della filosofia occidentale, vol. I, Longanesi, Milano 1966 RCS LIBRI EDUCATION SPA Strumenti, modelli e procedure Brano n. 4 «Spesso quand io ti miro / Star così muta in sul deserto piano, / Che, in suo giro lontano, al ciel confina; / Ovver con la mia greggia / Seguirmi viaggiando a mano a mano; / E quando miro in cielo arder le stelle; / Dico fra me pensando: / A che tante facelle? / Che fa l aria infinita, e quel profondo / Infinito seren? Che vuol dir questa / Solitudine immensa? ed io che sono?» Giacomo Leopardi, Canto notturno di un pastore errante dell Asia, in Canti, BUR, Milano La scienza moderna Il brano di Russell che abbiamo letto nel paragrafo precedente termina affermando che alle domande tipiche della filosofia non si può rispondere andando in laboratorio. Certamente, ma è anche vero che alle domande caratteristiche delle scienze sperimentali non si risponde mediante la filosofia.

20 4 sezione a Strumenti, modelli e procedure a) b) Figura 2 a) Ritratto di Galileo Galilei. b) Frontespizio di una delle due opere principali di Galileo: il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, pubblicato nel Galileo Galilei ( ) (fig. 2), studiando il movimento dei corpi, fondò la scienza moderna e il suo metodo di indagine. Quali sono, sinteticamente, le tappe di questa nuova strada per l indagine della natura? Chiediamoci innanzitutto: Galileo che cosa vuole studiare della realtà che cade sotto i nostri sensi? Quali aspetti intende indagare? Egli stesso ci suggerisce la risposta nel seguente brano. «Perché, o noi vogliamo specolando tentar di penetrar l essenza vera ed intrinseca delle sustanze naturali; o noi vogliamo contentarci di venir in notizia d alcune loro affezioni. Il tentar l essenza, l ho per impresa non meno impossibile e per fatica non men vana nelle prossime sustanze elementari che nelle remotissime e celesti» Dalla III Lettera, Delle macchie del Sole, G. Galilei, in Opere, vol. V, Giunti-Barbera, Firenze 1929 La ricerca di Galileo non è più quella filosofica dell essenza delle cose, ma la descrizione dei fenomeni naturali tramite quelle loro caratteristiche che appaiono misurabili. In una delle sue opere principali, Discorsi e dimostrazioni intorno a due nuove scienze, egli si occupa del movimento dei corpi in vicinanza della Terra e, in particolare, esamina il moto di caduta libera al suolo e quello dei proiettili (fig. 3). In questo studio, Galileo prende in considerazione le qualità misurabili dei corpi: ad esempio gli spazi percorsi, i tempi impiegati per percorrerli, la velocità, il peso ecc., e definisce queste caratteristiche primarie od oggettive. Altre qualità dei corpi che non sono misurabili, come ad esempio l utilità, la versatilità o le qualità estetiche vengono escluse in quanto ritenute soggettive. Figura 3 a) Ripresa fotografica di una pallina che cade al suolo in verticale. b) La traiettoria di una pallina lanciata con una velocità parallela al suolo. Le fotografie sono state scattate a intervalli uguali di tempo. Si noti il carattere accelerato del movimento. a) b)