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1 E LIB DI G I T AL RO

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4 internet: Si ringrazia la Fondazione Umberto Veronesi per il progresso delle scienze nelle persone di Monica Ramaioli, direttore, e Giovanna Gatti, supervisore scientifico. Proprietà letteraria riservata 2009 De Agostini Scuola SpA Novara 1ª edizione: gennaio 2009 Printed in Italy Le fotografie di questo volume sono state fornite da: Foto De Agostini Picture Library, Corbis, Marka. Foto copertina: ICP, Marka. Versione digitale del testo : M3P Srl; il software è stato realizzato da Quartopianodesign - Pesaro L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare eventuali omissioni o errori di attribuzione. Nel rispetto del DL 74/92 sulla trasparenza nella pubblicità, le immagini escludono ogni e qualsiasi possibile intenzione o effetto promozionale verso i lettori. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del materiale protetto da questo copyright potrà essere riprodotta in alcuna forma senza l autorizzazione scritta dell Editore. 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 Le riproduzioni ad 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, Milano segreteria@aidro.org; Eventuali segnalazioni di errori o refusi e richieste di chiarimenti sulle scelte operate dagli autori e dalla Casa Editrice possono essere inviate all indirizzo di posta elettronica della redazione. Stampa: A.G.F. Italia Peschiera Borromeo (MI) Edizione: I II III IV V VI Anno: Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

5 III Indice LA MATERIA E L ENERGIA LA VARIETÀ DEI VIVENTI L UOMO E LA VITA LA TERRA E L AMBIENTE UNITÀ 1 L elettricità e il magnetismo L elettricità L elettrizzazione Conduttori e isolanti La corrente elettrica I circuiti elettrici Le leggi di Ohm Effetto termico della corrente elettrica Il magnetismo Magnetismo ed elettricità 23 Semiconduttori e superconduttori 25 La pila 26 Il fulmine 26 I pericoli della corrente elettrica 27 Mappa dei concetti 28 Concetti chiave 29 Usare le parole 29 Sapere 29 Osservare, spiegare 30 & Mat 31 UNITÀ 2 La luce e i fenomeni luminosi La luce e i corpi La propagazione della luce La riflessione della luce La rifrazione I colori e la luce Onde e luce 46 Gli strumenti ottici 48 Le idee sulla luce 48 Come funziona un forno a microonde? 49 Una particolare sorgente di luce, il laser 49 Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

6 IV Indice Mappa dei concetti 50 Concetti chiave 51 Usare le parole 51 Sapere 51 Osservare, spiegare 52 & Mat 53 UNITÀ 3 Il lavoro e l energia Il lavoro L energia La potenza Calore e lavoro Le fonti di energia La produzione di energia Idrogeno: una nuova prospettiva 79 La macchina a vapore 80 L equivalenza tra massa ed energia 81 La radioattività 81 Mappa dei concetti 82 Concetti chiave 83 Usare le parole 83 Sapere 84 Osservare, spiegare 84 & Mat 85 UNITÀ 4 Il pianeta Terra La Terra Come localizzare un punto sulla Terra I moti della Terra e le loro conseguenze Il clima sulla Terra 94 I fusi orari 96 Mappa dei concetti 97 Concetti chiave 98 Usare le parole 98 Sapere 98 Osservare, spiegare 99 & Mat 99 UNITÀ 5 La storia della Terra La deriva dei continenti L esplorazione dei fondali oceanici La tettonica delle placche Le vicende della Terra 108 La storia geologica dell Italia 113 Mappa dei concetti 114 Concetti chiave 115 Usare le parole 115 Sapere 115 Osservare, spiegare 116 Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

7 Indice V UNITÀ 6 La Luna Il nostro satellite I movimenti della Luna e le loro conseguenze 121 Mont Saint-Michel, in balia delle maree 125 La conquista della Luna 126 Mappa dei concetti 127 Concetti chiave 128 Usare le parole 128 Sapere 128 Osservare, spiegare 129 & Mat 129 UNITÀ 7 Il sistema solare Una stella, otto pianeti Il Sole I pianeti I corpi minori del sistema solare Il moto dei pianeti 139 La teoria geocentrica e la teoria eliocentrica 141 Mappa dei concetti 142 Concetti chiave 143 Usare le parole 143 Sapere 144 Osservare, spiegare 144 & Mat 145 UNITÀ 8 L universo Che cos è l universo? Le stelle Le galassie e la Via Lattea Origine ed espansione dell universo 154 Gli strumenti per osservare l universo 156 Mappa dei concetti 157 Concetti chiave 158 Usare le parole 158 Sapere 158 Osservare, spiegare 159 & Mat 159 UNITÀ 9 L evoluzione dei viventi I fossili e la storia della vita Le teorie pre-evoluzioniste La teoria evoluzionista di Darwin 167 La ricostruzione della vita nel passato 173 Moderne teorie sull evoluzione 173 Una prova della teoria dell evoluzione 174 I funghi sono parenti degli animali? 174 Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

8 VI Indice Mappa dei concetti 175 Concetti chiave 176 Usare le parole 176 Sapere 176 Osservare, spiegare 177 UNITÀ 10 Origine e storia della vita e dell uomo L inizio della vita Come nacque la prima cellula? La storia della vita L origine dell uomo 190 I fossili viventi 196 L estinzione del Cretaceo 196 Mappa dei concetti 197 Concetti chiave 198 Usare le parole 198 Sapere 198 Osservare, spiegare 199 UNITÀ 11 La riproduzione La riproduzione nell uomo Dallo zigote, il nuovo organismo I caratteri sessuali L apparato riproduttore maschile L apparato riproduttore femminile Il ciclo ovarico e il ciclo mestruale Dalla fecondazione al parto 209 I metodi anticoncezionali 213 Gravidanza gemellare e parti multipli 213 Igiene e malattie a trasmissione sessuale 214 L AIDS, una malattia particolare 215 Mappa dei concetti 216 Concetti chiave 217 Usare le parole 218 Sapere 218 Osservare, spiegare 219 UNITÀ 12 La biologia molecolare La molecola del DNA Il codice genetico Replicazione e trascrizione La traduzione Le mutazioni 230 La trisomia 21 e la sindrome di Down 231 Mappe geniche e progetto genoma 231 Mutazioni, malattie e resistenza 232 La lunga storia del DNA 232 Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

9 Indice VII Mappa dei concetti 233 Concetti chiave 234 Usare le parole 234 Sapere 234 Osservare, spiegare 235 UNITÀ 13 La genetica e l ingegneria genetica La nascita della genetica Come spiegare le leggi di Mendel La genetica dopo Mendel Le malattie ereditarie La biotecnologia e l ingegneria genetica 246 Le nuove prospettive dell ingegneria genetica 248 Mappa dei concetti 250 Concetti chiave 251 Usare le parole 251 Sapere 252 Osservare, spiegare 252 UNITÀ 14 L uomo e l ambiente L uomo e le risorse della Terra La risorsa acqua La risorsa aria La risorsa suolo Le risorse minerarie ed energetiche La risorsa rifiuti La protezione dell ambiente 271 Un mondo sempre più caldo 275 La depurazione delle acque inquinate 276 L eutrofizzazione 276 Il Consiglio d Europa e la protezione dell ambiente 277 La storia dell atmosfera nella carote dell Antartide 277 Mappa dei concetti 278 Concetti chiave 279 Usare le parole 279 Sapere 279 Osservare, spiegare 280 Indice delle esperienze di laboratorio 281 Glossario 283 Indice analitico 287

10 LA MATERIA E L ENERGIA UNITÀ 1 L elettricità e il magnetismo UNITÀ 2 La luce e i fenomeni luminosi UNITÀ 3 Il lavoro e l energia LA TERRA E L AMBIENTE UNITÀ 4 Il pianeta Terra UNITÀ 5 La storia della Terra UNITÀ 6 La Luna UNITÀ 7 Il sistema solare UNITÀ 8 L universo LA VARIETÀ DEI VIVENTI UNITÀ 9 L evoluzione dei viventi UNITÀ 10 Origine e storia della vita e dell uomo L UOMO E LA VITA UNITÀ 11 La riproduzione UNITÀ 12 La biologia molecolare UNITÀ 13 La genetica e l ingegneria genetica LA TERRA E L AMBIENTE UNITÀ 14 L uomo e l ambiente

11 Unità 1 L elettricità e il magnetismo Grazie a quale fenomeno ci basta schiacciare un interruttore per illuminare una stanza o un intera via cittadina? Perché una calamita attira il ferro (ma non altre sostanze)? Perché una lampadina accesa scalda? In questa Unità studieremo l elettricità e il magnetismo e capiremo queste e molte altre cose. obiettivi Alla fine di questa Unità sarai in grado di: Y spiegare perché l elettricità è già presente nell atomo Y definire un corpo elettrizzato e indicare i modi per ottenere l elettrizzazione di un corpo Y distinguere tra conduttori e isolanti Y spiegare che cos è la corrente elettrica Y definire l intensità di corrente, la differenza di potenziale e la resistenza elettrica Y descrivere un circuito elettrico ed enunciare le leggi di Ohm Y descrivere l effetto termico, chimico e magnetico della corrente elettrica Y distinguere tra un magnete naturale e un magnete artificiale e definire il campo magnetico Y descrivere le interazioni tra elettricità e magnetismo PRIMA DI COMINCIARE Per affrontare gli argomenti di questa Unità, devi dimostrare di: Y saper descrivere la struttura dell atomo e il legame metallico Y spiegare come si formano gli ioni Y conoscere il principio dei vasi comunicanti 1. Indica se le seguenti affermazioni sono vere (V) o false (F). a. I metalli tendono a perdere gli elettroni dell ultima orbita. b. Le soluzioni acide contengono un eccesso di ioni idrogeno. v v f f c. Gli ioni positivi si formano acquistando elettroni. d. Nei vasi comunicanti si mantiene costante il dislivello d acqua. v v f f e. I non metalli tendono a formare ioni negativi. f. Le soluzioni basiche contengono un eccesso di ioni ossidrile. g. Il sale da cucina in soluzione è dissociato in ioni positivi e ioni negativi. v v v f f f h. I protoni sono le particelle positive dell atomo. i. I neutroni sono particelle del nucleo prive di carica elettrica. v v f f 2. Osserva con attenzione la figura e rispondi alle seguenti domande. a. Com è il livello dell acqua in tutti i vasi dell apparecchio? b. Quale principio spiega questo comportamento dell acqua? 3. Osserva con attenzione la figura e rispondi alle seguenti domande. a. Quale tipo di legame rappresenta? b. Che cosa indicano le frecce? c. Che cosa indicano i pallini con il segno ()? E quelli con ilsegno ()? d. Che cosa caratterizza il legame metallico?

12 Unità 1 L elettricità e il magnetismo 3 FIGURA 1 4 Il fulmine è un fenomeno di natura elettrica. 1.1 L elettricità L elettricità è l insieme di fenomeni originati dall esistenza di cariche elettriche: in natura la manifestazione più evidente dell elettricità è il fulmine (FIG. 1), che è una fortissima scarica elettrica tra una nube e il suolo o tra due nubi. Da quando la ricerca scientifica è riuscita a spiegare la natura dell elettricità e a ricavare una nuova forma di energia, l energia elettrica, la tecnologia ha messo a nostra disposizione strumenti e apparecchiature sempre più complessi e sofisticati, che ci aiutano quotidianamente a svolgere numerose attività. Nell atomo esistono due tipi di cariche elettriche L origine dell elettricità va ricercata nella struttura dell atomo, il costituente fondamentale di ogni forma di materia. Come abbiamo studiato nell Unità 6, l atomo è composto da protoni e neutroni, concentrati nel nucleo, e da elettroni, che si muovono intorno al nucleo (FIG. 2). FIGURA 2 2 L elettricità, da cui dipende il funzionamento della maggior parte degli apparecchi elettrodomestici che utilizziamo, trae origine dalla presenza di cariche elettriche positive (protoni) e negative (elettroni) nell atomo. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

13 4 Catione (o ione positivo) Atomo che possiede una o più cariche positive per perdita di altrettanti elettroni. Anione (o ione negativo) Atomo che possiede una o più cariche negative per acquisto di altrettanti elettroni.?miniverifica Quali particelle dell atomo portano una carica negativa? Come si forma uno ione da un atomo neutro? Come interagiscono due cariche elettriche di segno opposto? E due cariche uguali? Che cosa sono i cationi e gli anioni? Che cos è la forza elettrica? Che cos è il coulomb? Come varia la forza elettrica al variare della distanza tra due corpi carichi e al variare della carica posseduta dai corpi? I neutroni sono privi di carica elettrica, mentre ogni protone è dotato di una carica elettrica positiva () e ciascun elettrone di una carica elettrica negativa (). Le due cariche, dette elementari, sono di segno opposto e hanno la stessa intensità. Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, cariche elettriche di segno opposto si attraggono. Perciò un protone () e un elettrone () si attraggono; due elettroni o due protoni, invece, si respingono (FIG. 3). Inoltre, la carica positiva di un protone viene neutralizzata da quella negativa di un elettrone. Poiché normalmente un atomo possiede uno stesso numero di protoni e di elettroni, esso risulta elettricamente neutro. Per esempio, un atomo di sodio è neutro perché possiede 11 protoni (positivi) e 11 elettroni (negativi); un atomo di cloro è neutro perché possiede 17 protoni e 17 elettroni. Gli atomi neutri possono trasformarsi in particelle cariche, gli ioni, se perdono o acquistano elettroni: gli atomi che perdono elettroni risultano elettricamente positivi (i protoni diventano più numerosi degli elettroni) e vengono definiti ioni positivi o cationi (FIG. 4); gli atomi che acquistano elettroni risultano elettricamente negativi (gli elettroni diventano più numerosi dei protoni) e vengono definiti ioni negativi o anioni (FIG. 5). L acquisto o la perdita di elettroni da parte degli atomi che costituiscono i corpi è all origine dei fenomeni elettrici. Tra le cariche elettriche si esercita una forza elettrica L attrazione o la repulsione che si esercita tra cariche elettriche è chiamata forza elettrica. La forza elettrica che si esercita tra due corpi dotati di cariche elettriche dipende dalla quantità di carica cioè dal numero delle cariche di ciascun corpo e dalla distanza tra i corpi. La quantità di carica si misura in coulomb (C), in onore del fisico francese C.-A. Coulomb ( ); un coulomb corrisponde alla carica elettrica di 6,25 miliardi di miliardi di elettroni (è un numero enorme: con notazione matematica si scrive 6, , ovvero ). La forza elettrica aumenta all aumentare delle cariche possedute dai due corpi e diminuisce rapidamente all aumentare della loro distanza. Se la distanza è sufficientemente grande, gli effetti della forza elettrica si annullano. FIGURA 3 2 Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, cariche elettriche di segno opposto si attraggono. FIGURA 5 2 Un atomo di cloro, acquistando un elettrone, diventa un anione o ione negativo. FIGURA 4 4 Un atomo di sodio, perdendo un elettrone, forma un catione o ione positivo. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

14 Unità 1 L elettricità e il magnetismo L elettrizzazione FIGURA 6 2 (a) Strofinando con un panno di lana una bacchetta di vetro, quest ultima si carica di elettricità positiva, mentre la lana si carica di elettricità negativa (nello strofinìo, gli atomi della bacchetta di vetro cedono elettroni al panno di lana). (b) Strofinando con un panno di lana una bacchetta di ebanite (o di plastica), quest ultima si carica di elettricità negativa, mentre la lana si carica di elettricità positiva (in questo caso gli elettroni si trasferiscono dalla lana all ebanite). I corpi elettrizzati Finché gli atomi che costituiscono un corpo sono neutri, cioè cariche positive e negative si equivalgono, anche il corpo nel suo complesso è neutro. Se, invece, gli atomi del corpo acquistano o perdono elettroni, esso diventa carico. Se gli elettroni sono acquistati, il corpo assume un eccesso di cariche negative, cioè si carica di elettricità negativa; se gli elettroni sono perduti, assume un eccesso di cariche positive, cioè si carica di elettricità positiva. Quando questo si verifica si dice che il corpo è elettrizzato, in quanto al suo interno viene a mancare l equilibrio tra cariche negative (elettroni) e cariche positive (protoni). L elettrizzazione di un corpo può prodursi in vari modi: per strofinìo, per contatto e per induzione. I corpi possono elettrizzarsi per strofinìo Strofinando con un panno di lana il vetro o materiali simili al vetro, in essi si manifesta elettricità positiva: durante lo strofinìo, si ha un trasferimento di elettroni dal vetro alla lana, perciò il vetro risulta elettrizzato positivamente mentre la lana risulta elettrizzata negativamente (FIG. 6a). Strofinando con un panno di lana l ebanite o sostanze simili (come l ambra, o anche la plastica, come l involucro di una penna biro, e la gomma), in esse si manifesta elettricità negativa: in questo caso avviene il trasferimento di elettroni dalla lana all ebanite, perciò quest ultima risulta elettrizzata negativamente, mentre la lana risulta elettrizzata positivamente (FIG. 6b). Quando un corpo si elettrizza dopo essere stato strofinato, si parla di elettrizzazione per strofinìo. Una bacchetta di vetro e una di ebanite elettrizzate, avendo cariche elettriche di segno opposto, si attraggono (FIG. 7a); lo stesso accade tra un pettine, dopo essere stato strofinato con i capelli, e i capelli stessi (FIG. 7b); invece, due bacchette di vetro Elettrizzazione Processo attraverso cui un corpo diviene elettrizzato, cioè si carica elettricamente. Può avvenire per strofinìo, per contatto o per induzione. FIGURA 7 2 (a) Una bacchetta di vetro e una di ebanite si attraggono, dopo essere state strofinate con un panno di lana. (b) I capelli, strofinati con un pettine, sono attratti da quest ultimo. b Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

15 LSVOL_3_U1_ qxp :24 Pagina 6 6 elettrizzate o due bacchette di ebanite elettrizzate, avendo cariche elettriche dello stesso segno, si respingono (FIGURE 8a, 8b); lo stesso accade con due palloncini (FIG. 8c). 5 FIGURA 8 4 Dopo avere strofinato con un panno di lana due bacchette di vetro e due di ebanite, sia le prime (a), sia le seconde (b) si respingono, essendo cariche di elettricità di segno uguale. (c) Lo stesso si verifica tra due palloncini strofinati (anche semplicemente con le mani). c repulsione 5 Talete e l ambra Le prime osservazioni sui fenomeni elettrici risalgono al VI secolo a.c., quando il filosofo greco Talete di Mileto osservò che l ambra (FIG. 9), dopo essere stata strofinata con un panno di lana, era in grado di attirare a sé piccoli corpi. Talete chiamò questo fenomeno elettricità, dal greco èlektron, che significa appunto ambra. FIGURA 9 4 L ambra, una resina fossile (qui vediamo un frammento di ambra che include resti di insetti), ha la proprietà di elettrizzarsi per strofinìo, proprio come l ebanite o la plastica. /LAB L elettrizzazione per strofinìo che cosa ti serve che cosa devi fare Due involucri di biro di plastica (senza refil) ó Un panno di lana ó Un filo di nylon ó Un bastoncino di legno Fissa il bastoncino di legno inserendolo tra due libri (FIG. A) e sospendi con il filo di nylon una delle biro. Strofina energicamente l altra biro e avvicinala a quella sospesa (FIG. B). ó LAVORA SUL QUADERNO Rispondi alle domande 1. Che cosa osservi? 2. Ora strofina energicamente con il panno di lana sia la biro sospesa al filo sia l altra e avvicinale di nuovo (FIG. C). 3. Che cosa osservi? Come spieghi i fenomeni osservati? Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

16 Unità 1 L elettricità e il magnetismo 7 FIGURA 10 2 Elettrizzazione per contatto. Toccando con una bacchetta di vetro elettrizzata una pallina di polistirolo (a), questa poi ne viene respinta (b): nel contatto, infatti, la pallina di polistirolo acquista cariche elettriche dello stesso segno della bacchetta. I corpi possono elettrizzarsi per contatto Che cosa succede se tocchiamo una pallina di polistirolo, inizialmente neutra, con una bacchetta di vetro elettrizzata positivamente? Attraverso la zona di contatto un certo numero di elettroni si trasferisce dalla pallina alla bacchetta. In questo modo, anche la pallina si carica positivamente. Poiché subito dopo il passaggio i due corpi presentano elettricità dello stesso segno, essi si respingono (FIG. 10). La stessa cosa si verifica se tocchiamo una pallina con una bacchetta di ebanite elettrizzata negativamente: la pallina diventa anch essa negativa e subito dopo viene respinta dalla bacchetta. Quando un corpo si elettrizza perché tocca un altro corpo carico, si parla di elettrizzazione per contatto. I corpi possono elettrizzarsi per induzione Dei piccoli pezzi di carta vengono attirati sia da una bacchetta di vetro elettrizzata positivamente, sia da una di ebanite elettrizzata negativamente (FIG. 11). Come mai ciò avviene, se i pezzetti di carta sono neutri? Se un corpo carico (cioè elettrizzato) viene avvicinato a un corpo elettricamente neutro, è in grado di provocare in esso una separazione di cariche senza toccarlo. Infatti, quando avviciniamo a un pezzo di carta (neutro) l ebanite carica negativamente succede questo: gli elettroni () della carta sul lato vicino alla bacchetta vengono respinti verso il lato opposto; sul lato della carta vicino alla bacchetta rimangono quindi delle cariche positive (), che vengono attratte dalle cariche negative () presenti sulla punta della bacchetta. Quando invece avviciniamo a un pezzetto di carta la bacchetta di vetro, carica positivamente (), si verifica il fenomeno opposto: gli elettroni della carta vengono attirati verso il lato vicino alla bacchetta; questo lato si carica negativamente () e quindi viene attratto dalla punta () della bacchetta, mentre sul lato opposto della carta rimangono delle cariche positive. FIGURA 11 2 Una bacchetta di ebanite (a) e una di vetro (b), elettrizzate, attirano dei pezzetti di carta, perché provocano in questi ultimi una separazione di cariche per induzione: nel caso dell ebanite, sul lato della carta vicino alla bacchetta rimangono delle cariche positive e quindi si ha attrazione (c); nel caso del vetro, sul lato della carta vicino alla bacchetta rimangono cariche negative e quindi si ha ancora attrazione (d). Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

17 LSVOL_3_U1_ qxp :24 Pagina 8 8 FIGURA 12 4 Elettrizzazione per induzione. (a) Avvicinando una bacchetta di vetro elettrizzata a una pallina di polistirolo (senza toccarla), questa subisce una separazione di cariche: sul lato vicino alla bacchetta si formano cariche opposte (negative), e la pallina è attratta dal vetro. (b) Anche un palloncino strofinato attira, per induzione, dei pezzetti di carta. Quando un corpo si elettrizza perché viene avvicinato a un altro corpo carico, si parla di elettrizzazione per induzione. Possiamo verificare l elettrizzazione per induzione ancora una volta con una bacchetta elettrizzata (di vetro o di ebanite) e una pallina di polistirolo (FIG. 12a), oppure con un palloncino strofinato e alcuni pezzetti di carta (FIG. 12b). L elettroscopio rivela la presenza delle cariche elettriche Un corpo elettrizzato possiede delle cariche elettrostatiche, cioè ferme, sulla sua superficie. Uno strumento per rilevare la pre- /LAB che cosa ti serve Un rubinetto da cui scorre acqua corrente ó Un panno di lana ó La cannuccia di plastica di una biro ó Cariche elettrostatiche Cariche elettriche ferme presenti sulla superficie di un corpo costituito di materiale isolante. Le proprietà elettriche dell acqua che cosa devi fare Apri il rubinetto dell acqua e regolalo in modo che ne esca un sottile filo d acqua. Strofina energicamente la cannuccia sul panno di lana e avvicinala al filo d acqua. Osserva il comportamento dell acqua e cerca di capire il perché di questo fenomeno. LAVORA SUL QUADERNO Rispondi alle domande 1. Qual è la direzione del filo d acqua prima di avvicinare la cannuccia strofinata con la lana? Sai spiegare perché l acqua segue questa direzione? 2. Sai descrivere la struttura di una molecola d acqua? Quale tipo di legame chimico lega ciascun atomo di idrogeno all atomo di ossigeno? 3. La molecola dell acqua contiene cariche elettriche o è neutra? Quale tipo di legame chimico lega una molecola d acqua alle molecole vicine? 4. Se il filo d acqua fosse formato da un unica catenella di molecole d acqua, come sarebbero collegate una all altra? 5. Che cosa succede al filo dell acqua quando avvicini ad esso la cannuccia elettrizzata? Spiega questo comportamento dell acqua rispetto alla cannuccia elettrizzata. Che cosa succede al filo d acqua se allontaniamo la cannuccia che lo ha fatto deviare? Illustra con disegni Disegna un rubinetto con la direzione del filo d acqua prima e dopo aver avvicinato la cannuccia elettrizzata e la disposizione delle molecole d acqua in un filo d acqua verticale formato da una sola catena di molecole che scendono dal rubinetto, scrivendo sotto ciascun disegno la didascalia appropriata. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

18 Unità 1 L elettricità e il magnetismo 9 corpo carico repulsione pomello di metallo tappo di gomma tubo di vetro filo di rame lamine dorate senza di cariche elettrostatiche è l elettroscopio (FIG. 13): è costituito da un recipiente di vetro, contenente un asta metallica (per esempio di rame), collegata a un pomello anch esso metallico, che sporge all esterno. All estremità inferiore dell asta sono sospese due sottili lamine di oro (può andare bene anche la carta stagnola). Quando si tocca il pomello dell elettroscopio con un corpo carico, il pomello si elettrizza per contatto e acquista lo stesso tipo di carica del corpo. Questa elettrizzazione viene trasmessa dall asta alle lamine, che acquistano cariche dello stesso segno: perciò esse si respingono e quindi si allontanano. Elettroscopio Strumento che rileva la presenza di cariche elettrostatiche. FIGURA 13 3 Un elettroscopio. Toccando con un corpo elettrizzato il pomello di metallo, le lamine dorate (collegate da un filo di rame al pomello) si elettrizzano per contatto con cariche dello stesso segno, per cui si respingono.?miniverifica Che cosa si intende per corpo elettrizzato? In che cosa consiste l elettrizzazione per strofinìo? Perché strofinando la cannuccia di plastica di una biro con un panno di lana essa si carica negativamente, mentre la lana si carica positivamente? Dopo lo strofinìo, sono di più le cariche positive sul panno di lana o le cariche negative sulla cannuccia della biro? Motiva la tua risposta. Perché nello strofinìo della lana con il vetro questo si carica positivamente mentre la lana si carica negativamente? In che cosa consiste l elettrizzazione per contatto? Perché la cannuccia della biro, elettrizzata negativamente, attira dei pezzetti di carta posti vicino ad essa? Come mai una bacchetta di vetro, che possiede cariche elettriche opposte a quelle della cannuccia della biro, è capace anch essa di attirare dei pezzetti di carta? In che cosa consiste l elettrizzazione per induzione? Come è fatto l elettroscopio? Come funziona? Toccando il pomello dell elettroscopio con un corpo elettrizzato, è possibile capire se le cariche che esso porta sono positive o negative? Motiva la tua risposta. /LAB La costruzione di un elettroscopio che cosa ti serve ó Una bottiglietta di vetro tipo succo di frutta ó Un tappo di sughero forato e adattabile alla bottiglietta ó Una striscia di pellicola di alluminio per alimenti lunga 4 cm e larga 1 cm ó Cavo elettrico spellato ó La cannuccia di plastica di una biro ó Un panno di lana che cosa devi fare Fai passare qualche centimetro di cavo elettrico attraverso il tappo forato e avvolgi su se stesso più volte la parte di cavo che sporge sopra il tappo in modo da formare una sorta di pallottola di rame. Questa pallottola sarà il pomello del tuo elettroscopio. Piega ad angolo retto gli ultimi 3 cm della parte di cavo destinato a restare dentro la bottiglia. Appoggia su essa il pezzetto di pellicola come mostrato nel disegno in alto. Sistema il tappo a chiusura della bottiglietta. A questo punto strofina energicamente la cannuccia della biro con il panno di lana e tocca il pomello del tuo elettroscopio con la biro. Osserva con attenzione la posizione del pezzetto di alluminio prima e dopo il contatto con la cannuccia. LAVORA SUL QUADERNO Rispondi alle domande 1. Quale cambiamento subisce la cannuccia della biro a causa dello strofinìo con il panno di lana? 2. La cannuccia si è caricata negativamente o positivamente? Motiva la tua risposta. 3. Come sono disposte le due ali del pezzetto di alluminio appoggiato al cavo di rame prima di avvicinare la biro? 4. Che cosa succede alle due ali di alluminio quando tocchi il pomello con la cannuccia strofinata? 5. Spiega il comportamento delle ali del pezzetto di alluminio. Pensi che se toccassi il pomello dell elettroscopio con una bacchetta di vetro strofinata con la lana, il comportamento del pezzetto di alluminio sarebbe diverso? Motiva la tua risposta. Illustra con disegni Disegna ciò che osservi nell elettroscopio prima e immediatamente dopo aver toccato il pomello con la cannuccia e scrivi sotto ciascun disegno la didascalia appropriata. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

19 LSVOL_3_U1_ qxp :24 Pagina Conduttori e isolanti I conduttori lasciano passare la corrente, gli isolanti no FIGURA 14 2 Una forchetta interamente metallica, strofinata con un panno di lana (a), non attira i pezzetti di carta, perché le cariche elettriche si disperdono nel terreno attraverso il corpo (b). Usando una forchetta con impugnatura isolante, le cariche rimangono localizzate nella punta della forchetta, che si elettrizza e attira i pezzetti di carta (c). Se ripetiamo l esperimento dell elettrizzazione per strofinìo con una forchetta metallica (FIG. 14a), si osserva che i pezzettini di carta non vengono attratti, per quanti sforzi facciamo (FIG. 14b). Questo accade perché nei metalli le cariche negative sono libere di muoversi e quindi i metalli disperdono velocemente le cariche elettriche acquisite con lo strofinìo. Le cariche negative, infatti, arrivano dalla forchetta alla mano e si disperdono nel terreno, passando attraverso la mano, il braccio e il corpo di chi la impugna. Anche il nostro corpo, infatti, permette alle cariche di passare con facilità. Se però usiamo una forchetta con il manico isolante, l elettrizzazione tornerà a farsi sentire (FIG. 14c), sempre che la nostra mano tocchi solo la plastica e non il metallo, perché la plastica non permette alle cariche di spostarsi. Rispetto alla capacità di trasportare le cariche elettriche, i materiali possono essere raggruppati in due categorie, i conduttori e gli isolanti: sono detti conduttori i materiali in cui le cariche si possono muovere liberamente: per esempio i metalli, gli organismi viventi e la grafite; sono detti isolanti i materiali in cui le cariche non si possono muovere o si muovono con grande difficoltà (FIG. 15): per esempio la plastica, il vetro e il legno. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara Conduttore Materiale in cui le cariche elettriche si muovono liberamente. Isolante Materiale in cui le cariche non sono libere di muoversi.

20 Unità 1 L elettricità e il magnetismo 11 Nei conduttori gli elettroni sono poco trattenuti dal nucleo La causa del comportamento dei conduttori metallici risiede nella struttura dei loro atomi: gli elettroni esterni non sono fortemente legati ai rispettivi nuclei, ma sono liberi di muoversi; è questa mobilità degli elettroni a conferire ai conduttori la proprietà di trasportare l elettricità (FIG. 16). Negli isolanti, gli elettroni esterni sono più tenacemente legati ai nuclei e non possono spostarsi da un punto all altro. FIGURA 16 2 Il disegno cerca di rendere l idea della mobilità degli elettroni tra gli atomi di un metallo.?miniverifica Perché non si riesce a elettrizzare un cucchiaio di metallo, mentre è facile elettrizzare un cucchiaio di plastica? Che cosa sono i materiali conduttori di elettricità? E gli isolanti? Perché i metalli hanno la capacità di trasportare la corrente elettrica? 1.4 La corrente elettrica Dopo aver considerato le cariche elettrostatiche, che restano sostanzialmente ferme sulla superficie di un corpo, ci occuperemo ora delle cariche elettriche in movimento, che danno luogo al fenomeno della corrente elettrica. FIGURA 17 2 I fili elettrici sono costituiti da rame avvolto da materiale plastico isolante. La corrente elettrica: elettroni che si muovono La corrente elettrica consiste in un flusso di particelle cariche che si muovono per un tempo prolungato e in modo ordinato all interno di un conduttore. Nei conduttori metallici le particelle in movimento sono elettroni. La quantità di corrente che scorre in un conduttore viene misurata attraverso una grandezza detta intensità di corrente elettrica (i), che indica il numero di elettroni che attraversano un conduttore in un secondo. Nel Sistema Internazionale l unità di misura dell intensità di corrente è l ampère (simbolo A), in onore del fisico francese A.-M. Ampère ( ). L intensità di un ampère corrisponde al passaggio di 6, elettroni al secondo attraverso una sezione del conduttore. La corrente fluisce a causa della differenza di potenziale Nelle nostre case la corrente circola nei fili elettrici, costituiti da un metallo conduttore (il rame) rivestito da materiale isolante (FIG. 17) che impedisce che gli elettroni si disperdano. Ma che cosa fa muovere gli elettroni nel filo? Gli elettroni si muovono spontaneamente da un punto dove sono in eccesso verso un punto dove sono in difetto, cioè da un punto negativo a uno positivo. Perciò, se vogliamo che passi corrente in un conduttore, dobbiamo fare in modo che ci sia una diversa concentrazione di elettroni ai suoi estremi (FIG. 18). Corrente elettrica Flusso di elettroni che si muovono per un tempo prolungato e in modo ordinato all interno di un conduttore. Intensità di corrente elettrica È il numero di elettroni che attraversano un conduttore in un secondo. L unità di misura è l ampère (A). Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

21 12 Si definisce polo negativo quello con maggiore concentrazione di elettroni e polo positivo quello con concentrazione minore. Gli elettroni nel conduttore si muovono spontaneamente dal polo negativo al polo positivo, così come l acqua fluisce spontaneamente da un recipiente con un livello maggiore di liquido verso uno con un livello minore (FIG. 19). FIGURA 18 4 Collegando il corpo A (in cui sono presenti cariche negative) con il corpo B (in cui sono presenti cariche positive) per mezzo di un filo conduttore, gli elettroni si spostano da A verso B. Il flusso di elettroni è la corrente elettrica. Differenza di potenziale (o tensione elettrica) Differenza tra i potenziali ai due poli di un circuito elettrico; determina l entità della forza che spinge gli elettroni nel circuito. Si misura in volt (V). Generatore Dispositivo che mantiene una differenza di potenziale costante agli estremi di un circuito. La proprietà che determina la maggiore o minore forza con cui gli elettroni vengono spinti nel conduttore è la differenza di potenziale (ddp) otensione elettrica tra polo negativo e polo positivo; essa agisce come la differenza di livello tra i due recipienti della FIGURA 19: dal contenitore dove il livello è più alto si crea una corrente d acqua verso quello dove il livello è più basso, così come dal polo negativo si crea una corrente di elettroni che va verso il polo positivo. È facile capire, a questo punto, che più grande è il dislivello, cioè la ddp, tanto maggiore è la forza che spinge gli elettroni. La quantità di energia portata dalla corrente dipende però anche dalla quantità di elettroni che si spostano. Infatti, quanto maggiore è il numero degli elettroni che si spostano, cioè l intensità, tanto maggiore è l energia della corrente. Possiamo perciò concludere che l energia della corrente è direttamente proporzionale sia alla ddp sia all intensità. Tanto maggiore è la differenza di potenziale ai due capi di un filo conduttore, tanto più grande sarà la forza che spinge gli elettroni a percorrerlo. La differenza di potenziale si misura nel Sistema Internazionale in volt (simbolo V), in onore del fisico italiano Alessandro Volta ( ). Un generatore mantiene costante la differenza di potenziale Perché gli elettroni continuino a fluire dal polo negativo al polo positivo di un conduttore, e quindi continui a circolare corrente, bisogna mantenere la differenza di potenziale elettrico tra i due poli. Per questo si usa un generatore. Un generatore di corrente elettrica, come per esempio una pila, è un dispositivo che mantiene alle estremità di un conduttore una differenza di potenziale costante. Una pila svol- FIGURA 19 1 Collegando due recipienti contenenti acqua a differenti livelli, il liquido fluisce dal recipiente con il livello maggiore a quello con il livello minore. Allo stesso modo, la corrente passa da un punto con più elettroni a un punto con meno elettroni. Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara

22 Unità 1 L elettricità e il magnetismo 13 ge la stessa funzione di una pompa che spinge l acqua in un circuito idraulico: se non ci fosse la pompa (che per funzionare richiede energia), il dislivello tra i due recipienti sarebbe presto colmato e l acqua non circolerebbe più (FIG. 20). Se colleghiamo i poli di una pila, quello negativo (o catodo) e quello positivo (o anodo), a un amperometro, uno strumento che misura l intensità di corrente (FIG. 21a), la sua lancetta segnala un passaggio di corrente. Per misurare, invece, la tensione o differenza di potenziale di una pila, occorre uno strumento simile chiamato voltmetro (FIG. 21b). Nelle comuni pile la tensione è indicata in volt: le normali pile in commercio sviluppano una tensione molto piccola (1,5 V, oppure 9 V o anche 12 V). Questi valori di tensione non sono pericolosi, mentre la corrente elettrica delle abitazioni possiede una tensione di 220 V, che può folgorare. Le linee elettriche che partono da una centrale elettrica hanno una tensione elevatissima, anche centinaia di migliaia di volt. FIGURA 20 3 Confronto tra la funzione di un generatore (pila) in un circuito elettrico (a) e di una pompa in un circuito idraulico (b). La pila, spingendo elettroni, mantiene costante la differenza di potenziale tra l anodo (positivo) e il catodo (negativo). La pompa spinge l acqua dal recipiente B al recipiente A per mantenere costante il dislivello, che altrimenti verrebbe annullato rapidamente dal passaggio dell acqua da A a B.?MINIVERIFICA Che cos è la corrente elettrica? Che cos è l intensità della corrente elettrica? Qual è l unità di misura dell intensità della corrente elettrica? Perché in un cavo elettrico i fili di rame sono rivestiti di plastica? Che cosa fa muovere gli elettroni in un conduttore? Da che cosa dipende la forza che spinge gli elettroni a muoversi in un conduttore? Qual è la sua unità di misura? Che cos è un generatore di corrente elettrica? Che cos è un amperometro? E un voltmetro? FIGURA 21 3 (a) L amperometro misura l intensità della corrente elettrica (in ampère) che passa lungo un conduttore. Il suo funzionamento si basa sul fatto (spiegato più avanti) che il passaggio di corrente elettrica produce un campo magnetico. (b) Il voltmetro misura la tensione elettrica (in volt) che esiste ai due poli di un generatore elettrico (il suo principio di funzionamento è analogo a quello dell amperometro). Linea Base 3 Garzanti Scuola 2009 De Agostini Scuola SpA Novara