Indice. Meccanica. 1 Cinematica del punto materiale

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1 Indice Prefazione Introduzione 1. La fisica e il metodo scientifico Grandezze fisiche, unità esistemi di unità di misura Lunghezza Intervallo di tempo Sistemi di unità Dimensioni ed equazioni dimensionali Misure ed errori Meccanica 1 Cinematica del punto materiale 1.1. Introduzione Sistemi di riferimento Equazioni del moto. Moti componenti Traiettoria. Equazione oraria Spostamenti Gradi di libertà Velocità eaccelerazione Moto rettilineo uniforme Moto uniformemente accelerato Moto circolare uniforme Moto armonico Moto circolare uniforme e moti armonici componenti Accelerazione in un moto con traiettoria giacente in un piano Moto di un punto con traiettoria qualsiasi Moti centrali. Velocità areolare Definizione del moto dalla conoscenza dell accelerazione o della velocità Moto di un punto in sistemi di riferimento diversi Dinamica del punto materiale 2.1. Legge di inerzia. Terne di riferimento inerziali Forza Concetto di massa inerziale Secondo principio della dinamica Quantità di moto e impulso XI 2.6. Terzo principio della dinamica. Azione e reazione Critica e limiti della meccanica newtoniana Forze e interazioni fondamentali Peso Forze elastiche Reazioni vincolari Attrito Resistenze passive Processi oscillatori Pendolo semplice Momento di una forza rispetto a un punto e rispetto a un asse Momento della quantità dimoto Teorema del momento della quantità di moto. Conservazione del momento della quantità dimoto Descrizione del moto in sistemi non inerziali Forze apparenti: la forza centrifuga Forze apparenti: la forza di Coriolis Conclusioni sulla dinamica del punto Lavoro ed energia per il punto materiale 3.1. Definizione di lavoro Potenza Energia cinetica. Teorema del lavoro e dell energia cinetica Campi di forza conservativi Energia potenziale Conservazione dell energia meccanica nel caso di forze conservative Energia nell oscillatore armonico Energia potenziale di gravitazione Energia meccanica di un punto materiale in campo conservativo Variazione dell energia meccanica in presenza di forze non conservative Conservazione dell energia Massa inerziale e massa gravitazionale Teoria della relatività ristretta Meccanica dei sistemi di punti materiali 4.1. Introduzione Centro di massa e moto del centro di massa 106

2 IV Indice 4.3. Quantità dimoto di un sistema e prima equazione cardinale della dinamica dei sistemi Principio di conservazione della quantitàdi moto Teorema del momento della quantità di moto Principio di conservazione del momento della quantità dimoto Teorema del lavoro e dell energia cinetica nei sistemi di punti Energia cinetica e moto del centro di massa Energia potenziale Conservazione dell energia meccanica Problemi di meccanica dei sistemi Processi d urto Urto normale centrale Meccanica dei corpi rigidi 5.1. Introduzione Cinematica dei corpi rigidi Dinamica del corpo rigido Sistemi equivalenti di forze Corpo girevole intorno a un asse fisso Momento d inerzia Esempi di moto di rotazione intorno a un asse fisso Energia cinetica di un corpo rigido libero Statica Leve. Bilancia Meccanica dei corpi deformabili. Elasticità 6.1. Introduzione Deformazioni elastiche e plastiche Deformazioni di volume e di scorrimento Forze applicate e sforzi Legge di Hooke. Legge di sovrapposizione Compressione di volume Deformazione di trazione e di scorrimento Origine delle proprietà elastiche nei solidi Sollecitazioni e deformazioni nei fluidi. La viscosità dei liquidi Meccanica dei fluidi 7.1. Introduzione Pressione in un punto di un fluido Equazioni della statica dei fluidi Statica dei fluidi pesanti Principio di Pascal Misura delle pressioni Principio di Archimede Dinamica dei fluidi Linee di flusso e di corrente Equazione di continuità Teorema del lavoro e dell energia cinetica per fluidi ideali. Equazione di Bernoulli Onde in mezzi elastici 8.1. Introduzione Vari tipi di onde elastiche Onde piane longitudinali sinusoidali Velocitàdipropagazione ed equazione delle onde longitudinali Trasporto di energia e intensità diun onda Onde longitudinali sferiche e onde trasversali Sovrapposizione e interferenza: onde stazionarie Principio di Huygens Propagazione delle onde Riflessione Rifrazione Fenomeni di diffrazione Sorgente o ricevitore in moto. Effetto Doppler Suoni e ultrasuoni Sorgenti unidimensionali Sorgenti bidimensionali Caratteri dei suoni La voce umana e l orecchio Termodinamica 9 Cenni di struttura atomica 9.1. Introduzione Teoria di Bohr per l atomo di idrogeno Livelli di energia degli elettroni in un atomo Struttura dell atomo. Sistema periodico degli elementi Forze fra atomi Molecole e cristalli Termologia Introduzione Temperatura. Principio zero della termodinamica Scale termometriche Termometri Espansione termica dei solidi e dei liquidi Quantità dicalore e calorimetria Trasmissione del calore - convezione Conduzione Irraggiamento Primo principio della termodinamica. Conservazione dell energia Introduzione Sistemi termodinamici Equilibrio termodinamico Grandezze o variabili di stato. Equazioni di stato Trasformazioni Lavoro in trasformazioni reversibili Calore ed energia. Equivalente meccanico della caloria Primo principio della termodinamica. Principio di conservazione dell energia Capacità termiche e calori specifici Quantità di calore fornite a volume o a pressione costante. Entalpia Processi isotermi Processi adiabatici Stati gassoso, liquido e solido Introduzione Equazione di stato per i gas perfetti

3 Indice V Energia interna di gas perfetti Espressione del primo principio della termodinamica per i gas perfetti Trasformazioni di gas perfetti Teoria cinetica e modello dei gas perfetti Pressione nella teoria cinetica Interpretazione cinetica della temperatura Distribuzione delle velocità molecolari in stati di equilibrio Legge di Boltzmann di distribuzione delle energie Limiti della statistica di Maxwell-Boltzmann Calori specifici nei gas perfetti ed equipartizione dell energia Oscillatore armonico e rotatore libero nella meccanica quantistica Teoria quantistica dei calori specifici Isoterme per i gas reali nel piano pressionevolume Equazione di stato di Van der Waals Stato liquido ed equazione di Van der Waals Tensione superficiale nei liquidi Contatto di due fluidi con un terzo mezzo Capillarità Evaporazione ed ebollizione Sublimazione Umidità Solidi cristallini e corpi amorfi Equazioni di stato Calori specifici dei solidi Fusione e solidificazione Liquidi a struttura quasi cristallina Calori specifici nei liquidi Secondo principio della termodinamica Introduzione Macchine termiche Ciclo di Carnot Il secondo principio della termodinamica Teorema di Carnot Temperatura termodinamica Zero assoluto e sua irraggiungibilità Entropia Disuguaglianza di Clausius Entropia nei sistemi isolati. Processi irreversibili Temperatura ed entropia come coppia di variabili di stato Entropia e disordine Entropia ed espressioni del primo e del secondo principio della termodinamica Entropia di un gas perfetto Entropia nei cambiamenti di stato ed entropia di mescolamento Il terzo principio della termodinamica Funzioni termodinamiche caratteristiche Introduzione Energia interna Entalpia Funzione di Helmholtz o energia libera a temperatura costante Funzione di Gibbs o entalpia libera Radiazione e materia Introduzione Emissione, assorbimento e riflessione di energia raggiante Radiazione del corpo nero Elettromagnetismo 16 Elettrostatica Introduzione Esperienze elementari Legge di Coulomb Quantizzazione e conservazione della carica Energia elettrostatica di un sistema di cariche puntiformi Il campo elettrico Rappresentazione del campo elettrico. Linee di forza Legge di Gauss Alcune applicazioni della legge di Gauss Il potenziale elettrostatico Il potenziale elettrostatico per alcune distribuzioni di cariche Il dipolo elettrico Azioni su un dipolo in campo elettrico I conduttori nel campo elettrico Capacità econdensatori Energia immagazzinata in un condensatore. Energia nel campo elettrostatico Densità dicarica sulla superficie dei conduttori Forze sui conduttori carichi Strumenti elettrostatici Il campo elettrostatico nei dielettrici Il vettore spostamento elettrico Capacitàdiuncondensatore contenente un dielettrico Paragone dei valori del campo elettrico nel vuoto e in un mezzo dielettrico materiale Campo elettrico alla superficie di separazione di due dielettrici Forze fra cariche in un dielettrico Energia di un sistema di cariche in presenza di un dielettrico Interpretazione microscopica della polarizzazione nei dielettrici. Campo locale Intensità dipolarizzazione e momenti atomici di dipolo. Polarizzazione nei gas non densi Polarizzabilità ecostante dielettrica di mezzi densi Perdite nei dielettrici e rigidità Generatore di Van der Graaff Correnti elettriche stazionarie Introduzione

4 VI Indice Densità eintensità della corrente di conduzione Vari tipi di corrente. Corrente di spostamento. Circuito elettrico Legge di Ohm. Resistenza Potenza in un tratto di circuito. Legge di Joule Forza elettromotrice Circuiti in serie Le regole di Kirchhoff per i circuiti Misurazione di differenze di potenziale, di resistenze e di potenze Teoremi sui circuiti Processi di conduzione nella materia Teoria di Drude degli elettroni liberi nei metalli Confronto fra teoria di Drude ed esperienza I superconduttori Le equazioni circuitali per condizioni quasi stazionarie Il campo magnetico di correnti stazionarie Introduzione Azioni magnetiche. Vettore induzione magnetica Forze magnetiche su cariche puntiformi in moto Forza magnetica su una corrente. Seconda formula di Laplace Sollecitazione su un circuito percorso da corrente Campo magnetico creato da correnti. Prima formula di Laplace Il vettore per alcune distribuzioni di cariche inmoto Azioni fra correnti. Definizione dell ampère Momento magnetico di una spira e di una bobina percorsa da corrente Strumenti di misura di correnti Proprietà fondamentali di Potenziale scalare Il vettore intensità del campo magnetico I vettori magnetici nella materia Campo magnetico alla superficie di separazione di due mezzi Vari tipi di materiali Impieghi dei materiali ferromagnetici Poli magnetici. Aghi magnetici Circuito magnetico Progetto di magneti permanenti Spiegazione classica del comportamento magnetico della materia. Momenti magnetici atomici Momenti della quantità dimoto e momenti magnetici per sistemi atomici nella meccanica quantistica Teoria quantistica del paramagnetismo atomico Ferromagnetismo. Ipotesi di Weiss. Domini ferromagnetici e loro magnetizzazione spontanea Interazioni responsabili del campo molecolare. Teoria di Heisenberg Anisotropia ferromagnetica e magnetostrizione Domini magnetici Curva di magnetizzazione e ciclo di isteresi Il campo magnetico terrestre L induzione elettromagnetica Introduzione Legge di Faraday-Neumann-Lenz Interpretazione microscopica delle esperienze di induzione elettromagnetica Alcuni esempi di induzione elettromagnetica Forza elettromotrice indotta in condizioni quasi stazionarie. Coefficienti di mutua induzione e autoinduzione Circuito RL Energia in un induttore. Densitàdienergia nel campo magnetico Le correnti alternate nell approssimazione di stati quasi-stazionari Introduzione Metodi di rappresentazione di grandezze sinusoidali Circuiti serie in corrente alternata Trattazione generale di reti in corrente alternata mediante la rappresentazione con numeri complessi Potenza nei circuiti in corrente alternata Misurazione delle grandezze nei circuiti in corrente alternata Oscillazioni libere in un circuito RLC Trasformatore statico Le equazioni di Maxwell e le onde elettromagnetiche Introduzione Le equazioni di Maxwell Propagazione di una perturbazione elettromagnetica in un mezzo dielettrico omogeneo, privo di cariche e correnti Onde piane in un dielettrico omogeneo Energia delle onde elettromagnetiche. Vettore di Poynting Propagazione delle onde elettromagnetiche Riflessione e rifrazione di onde piane Polarizzazione Polarizzazione per riflessione Ottica 22 Natura della luce e trattazione dell ottica Teoria ondulatoria e corpuscolare Sorgenti di luce Velocità della luce Ottica geometrica Introduzione Sistemi ottici e immagini

5 Indice VII Formazione di immagini per riflessione Convenzioni sui segni per gli spazi oggetto e immagine Distanza focale. Formula degli specchi sferici. Costruzione grafica delle immagini Formazione di immagini per rifrazione Proprietà generali dei sistemi ottici centrati Lenti sferiche sottili Aberrazioni delle lenti Dispositivi ottici per la formazione di immagini Ottica fisica Introduzione Principio di Huygens-Fresnel Interferenza Esperienza di Young Coerenza Il laser La diffrazione Diffrazione di Fresnel e di Fraunhofer Estensione delle figure di diffrazione nella zona d ombra. Propagazione rettilinea Diffrazione di Fraunhofer. Fenditura semplice Potere risolutivo di una fenditura rettangolare Diffrazione di Fraunhofer con apertura circolare e suo potere risolutivo Reticolo di diffrazione Reticoli e spettri Reticoli tridimensionali. Diffrazione di raggi X Elettroni nei cristalli e processi legati alle loro proprietà nei metalli Introduzione Statistiche quantistiche Funzioni di distribuzione delle statistiche Fermi-Dirac e Bose-Einstein Formazione delle bande di livelli energetici consentiti agli elettroni nei cristalli Effetto Volta, o del potenziale di contatto. Lavoro di estrazione Effetti termoelettrici Coppie termoelettriche Emissione termica di elettroni Effetto fotoelettrico esterno Effetto fotoelettrico interno Appendici AI Calcolo vettoriale AI.1. Sintesi delle regole AII I sistemi di unità dimisura in elettromagnetismo AII.1. Introduzione AII.2. Sistema CGS elettrostatico AII.3. Sistema CGS elettromagnetico AII.4. Sistema misto o di Gauss AII.5. Sistema pratico AII.6. Sistema MKSA e SI AII.7. Confronto fra dimensioni e unità nei vari sistemi AII.8. Formule equivalenti nei vari sistemi AII.9. Sistema Internazionale di Unità Bibliografia 799 Indice analitico 801

6 Prefazione Il presente volume Lezioni di fisica è stato redatto per soddisfare, in particolare, le esigenze degli studenti di Ingegneria che, dopo la recente riforma dei curriculi universitari, si presenta assai differenziata tra i diversi corsi di laurea. Esso fa uso in larga misura dei testi scritti in precedenza, che per molti anni sono stati usati in corsi di fisica delle facoltà di Ingegneria e di Scienze delle nostre Università: questi testi sono stati ristrutturati in un unico volume, nel quale si compendiano tutti i temi, dalla meccanica alla termodinamica, all elettromagnetismo, all ottica, e nel quale si è cercato di snellire la trattazione, mantenendo nel contempo alcune aperture sugli aspetti più significativi dell evoluzione recente.