Unità didattica n 1 - Il primo principio della termodinamica

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1 PROGRAMMA PREVISTO Anno Scolastico Testo di riferimento: Le Vie della Fisica voll. 2-3 (Battimelli G. Stilli R.) Unità didattica n 1 - Il primo principio della termodinamica Conoscenza dei concetti relativi a lavoro, energia meccanica e conservazione dell energia 1. Fenomeni termodinamici. Temperatura e termometri. Termometri a gas. Principio zero. Temperatura d equilibrio e calore specifico. 2. Calore, lavoro, energia interna. Sistemi estesi e puntiformi, energia interna, funzioni di stato, calore. 3. Il primo principio. Il 1 principio, estensione del principio di conservazione dell energia, esperimento storico di Joule, stati di equilibrio termodinamico. 4. Energia interna dei gas ideali. Gas perfetti, leggi dei gas, temperatura assoluta, equazione di stato dei gas ideali, trasformazioni isoterme e isocore dei gas perfetti. 5. Lavoro e calore nelle trasformazioni dei gas perfetti. Trasformazione isobara, lavoro in una trasformazione isobara e in una trasformazione qualsiasi, lavoro e calore in una trasformazione ciclica, trasformazioni adiabatiche. 1. Conoscere e descrivere il concetto di temperatura; conoscere il principio zero della termodinamica; 2. Conoscere e descrivere i concetti di calore ed energia interna e saperne giustificare l introduzione. 3. Enunciare e commentare il primo principio riconoscendone il significato di estensione del principio di conservazione dell energia; conoscere il significato delle trasformazioni quasi statiche. 4. Conoscere e utilizzare le leggi di trasformazione dei gas ideali e l equazione di stato dei gas; 5. Caratterizzare le varie trasformazioni di un gas alla luce del 1 principio calcolando calori scambiati, lavoro prodotto, variazione di energia interna; 6. Applicare il 1 principio e le sue conseguenze all analisi di trasformazioni cicliche. Verifica sperimentale della condizione d equilibrio termico, misura di calori specifici. Studio sperimentale delle leggi dei gas perfetti. risposta aperta sulla teoria o quesiti a scelta multipla (1 ora). Tempi: settembre ottobre Pagina 5

2 Unità didattica n 2 - La teoria cinetica dei gas Principio di conservazione della quantità di moto e dell energia negli urti; Unità didattica n Teoria cinetica dei gas. Il modello meccanico del gas ideale, energia cinetica media di una molecola, velocità quadratica media delle molecole, relazione tra energia cinetica media molecolare e temperatura, numero d Avogadro e costante di Boltzmann, energia interna e calore. 2. Conseguenze della teoria cinetica. Cenni al cammino libero medio e alle dimensioni molecolari, esistenza delle forze intermolecolari, equazione di Van der Waals (cenni). 3. Equipartizione dell energia. Modelli per molecole semplici, gradi di libertà, principio d equipartizione dell energia 1. Conoscere e descrivere il modello microscopico del gas ideale; 2. Dedurre, dal modello microscopico, la relazione fra temperatura assoluta ed energia cinetica media. 3. Interpretare i parametri macroscopici di un gas alla luce del modello microscopico. 4. Utilizzare il modello microscopico per stimare velocità medie e dimensioni molecolari. 5. Conoscere e utilizzare il principio di equipartizione dell energia per stimare i valori dei calori specifici dei gas. Misura delle dimensioni delle molecole (acido oleico). risposta aperta sulla teoria o a scelta multipla(1 ora). Tempi: novembre Pagina 6

3 Unità Didattica n 3 - Il secondo principio della termodinamica Calore, temperatura, pressione, volume; Equilibrio termico ed equazione fondamentale della calorimetria; Teoria cinetica dei gas e legame fra energia cinetica media e temperatura. 1. Irreversibilità delle trasformazioni spontanee. Senso privilegiato per le trasformazioni spontanee, irreversibilità, trasformazioni quasi statiche e reversibilità. 2. Asimmetria nella conversione di calore in lavoro. Macchine termiche, rendimento di una macchina termica, macchine cicliche, il ciclo di Carnot, limite alla possibilità di convertire calore in lavoro, enunciati del 2 principio. 3. Rendimento delle macchine termiche. Macchine reversibili ed irreversibili, rendimento di macchine termiche che operano fra due sorgenti, disuguaglianza di Clausius. 4. L entropia. Necessità di introdurre una nuova funzione di stato, caratteristiche richieste all entropia, espressione matematica dell entropia, variazione di entropia nel ciclo di Carnot, variazione di entropia nell espansione libera di un gas perfetto, la funzione di stato entropia, il secondo principio della termodinamica. Variazione di entropia di un gas perfetto. 5. Entropia e probabilità. Irreversibilità macroscopica e reversibilità microscopica, probabilità di uno stato, entropia e probabilità. 1. Riconoscere l irreversibilità delle trasformazioni spontanee. 2. Conoscere il concetto di rendimento di una macchina termica e saperlo calcolare; riconoscere che una macchina termica ha bisogno di almeno due sorgenti per operare ciclicamente. 3. Riconoscere l impossibilità di una completa trasformazione di calore in lavoro; dimostrare l equivalenza fra le due asimmetrie individuate nei punti 1 e Dimostrare la disuguaglianza di Clausius ed illustrarne il significato. 5. Introdurre la funzione di stato entropia e calcolarne la variazione in alcuni tipi di trasformazioni. 6. Conoscere e discutere il legame fra entropia ed energia utilizzabile. 7. Conoscere e descrivere il legame fra entropia e probabilità. 8. Risolvere problemi sul rendimento, sulle macchine termiche, sull entropia.. risposta aperta sulla teoria o a scelta multipla (1 ora) Tempi: dicembre gennaio Pagina 7

4 Moto armonico. Unità Didattica n 4 - Onde e Luce 1. Oscillazioni che si propagano. Oscillazioni, lunghezza d onda e velocità, formalizzazione del concetto di onda, onde sinusoidali, parametri. 2. Il principio di sovrapposizione. Sovrapposizione di due onde in fase, sovrapposizione di molte onde, onde stazionarie, interferenza costruttiva e distruttiva. 3. Onde nei mezzi elastici. Corpi rigidi e modulo di elasticità, onde sonore, effetto Doppler, energia, dispersione. 4. Interferenza e diffrazione. Onde che si propagano in più dimensioni, fronte d onda e direzione di propagazione, riflessione, diffrazione, principio di Huygens, interferenza da due fenditure. 5. La luce. Modelli per la luce e velocità della luce, raggi luminosi, diffrazione, dispersione e rifrazione, legge di Snell. 6. Ottica geometrica. Modello geometrico, principio di Fermat, specchi, angolo limite. Cenni a lenti sottili. 1. Conoscere e descrivere il concetto di onda come oscillazione che si propaga; essere in grado di tradurre tale concetto nel formalismo matematico della funzione d onda. 2. Conoscere il principio di sovrapposizione e utilizzarlo per interpretare i fenomeni ondulatori complessi. 3. Individuare le condizioni per il verificarsi di onde stazionarie e di fenomeni di interferenza. 4. Descrivere i fenomeni legati alla propagazione di onde in mezzi elastici (effetto Doppler, velocità delle onde sonore). 5. Interpretare la propagazione di onde in più dimensioni alla luce del principio di Huygens. 6. Ricavare la legge per l interferenza di onde da due fenditure; 7. Risolvere problemi su fenomeni ondulatori. 8. Conoscere e confrontare le caratteristiche del modello corpuscolare e del modello ondulatorio per la luce; 9. Conoscere il fenomeno della rifrazione della luce e ricavarne la legge. 10. Conoscere e descrivere le proprietà delle luce in base al modello geometrico. Ondoscopio; Esperienze di ottica geometrica. Verifiche: compito scritto intermedio con problemi (1 ora); compito scritto alla fine dell unità; colloqui sulla teoria; prova scritta con quesiti a risposta aperta sulla teoria o a scelta multipla (1 ora). Tempi: febbraio aprile Pagina 8

5 Unità didattica n 5 - Forze e Campi Dinamica del moto; Gravitazione; Energia cinetica, energia potenziale, legge di conservazione dell energia. 1. Fenomeni elettrostatici. Elettrone. Carica elettrica. Legge di Coulomb. Protoni, nuclei ed esperimento di Rutherford. Interazioni a distanza e principio di relatività. 2. Dalle forze ai campi. Superamento dell interazione a distanza. Campo gravitazionale e campo elettrostatico. Il principio di sovrapposizione. 3. Circuitazione, energia, potenziale. Campi conservativi. Potenziale. Potenziale gravitazionale. Potenziale elettrostatico. Energia potenziale. Linee di forza e superfici equipotenziali. 4. Flusso e teorema di Gauss. Flusso di un vettore. Flusso attraverso una superficie chiusa. Il teorema di Gauss per il campo gravitazionale e per il campo elettrostatico. 5. Campi con particolari simmetrie. Campi a simmetria sferica. Campi a simmetria cilindrica (distribuzione lineare di carica). Distribuzione piana di carica. 6. Conduttori ed isolanti (Complementi): Conduttore sferico. Conduttore piano. Condensatori piani. Capacità. Teorema di Coulomb. 1. Enunciare ed interpretare la legge di Coulomb, confrontarla con la legge di gravitazione universale; 2. Definire il campo elettrico e il campo gravitazionale; descriverne analogie e differenze; conoscere e ricavare le espressioni per campi generati da sorgenti puntiformi. 3. Conoscere ed utilizzare il principio di sovrapposizione; 4. Definire la circuitazione e il potenziale; conoscere e ricavare i potenziali elettrostatico e gravitazionale; ricavare e interpretare il teorema della circuitazione per il campo gravitazionale e il campo elettrostatico. Conoscere le proprietà delle superfici equipotenziali. 5. Definire il flusso attraverso una superficie (piana, generica, sferica, chiusa). Enunciare, dimostrare ed interpretare il teorema di Gauss. 6. Conoscere e determinare le caratteristiche dei campi generati da distribuzioni di carica (sferiche, lineari, piane) utilizzando il teorema di Gauss e la circuitazione. 7. Risolvere problemi ed esercizi applicando la legge di Coulomb, le equazioni dei campi elettrici generati da diversi tipi di distribuzione di carica, la relazione fra campo elettrico e potenziale, il teorema di Gauss. Esperienze da cattedra sulla carica elettrica e sui condensatori. risposta aperta sulla teoria o a scelta multipla ( 1 ora). Tempi: maggio giugno Verona, 11/09/2006 Il docente Prof. Gini Paolo Pagina 9