Esercizi di Fisica. Guida ragionata alla soluzione. California State Polytechnic University-Pomona

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1 Esercizi di Fisica Guida ragionata alla soluzione John R. Gordon James Madison University Ralph V. McGrew Broome Community College Raymond A. Serway James Madison University John W. Jewett, Jr. California State Polytechnic University-Pomona Edizione italiana a cura di Dott. Rocco ROMANO Facoltà di Farmacia Università di Salerno Dott. Rosario ESPOSITO Università di Napoli Federico II

2 Esercizi di FISICA - Guida ragionata alla soluzione John R. Gordon Ralph V. McGrew Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr. Copyright 2010, EdiSES s.r.l. Napoli Le cifre sulla destra indicano il numero e l anno dell ultima ristampa effettuata A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L Editore Fotocomposizione: EdiSES S.r.l. Napoli Fotoincisione: PrintSprint Napoli Stampato presso la Litografia di Enzo Celebrano per conto della EdiSES Napoli info@edises.it ISBN

3 Prefazione Lo scopo di questo eserciziario è quello di fornire agli studenti, insieme ed una conveniente e sintetica revisione dei concetti fondamentali e delle applicazioni, la soluzione ragionata di una serie di problemi. Grande enfasi viene posta nella chiarificazione di tipici punti difficoltosi favorendo la pratica di metodi alternativi per la soluzione dei problemi. La maggior parte dei capitoli contiene le seguenti sezioni: Note Un sommario dei concetti importanti, delle nuove grandezze fisiche appena introdotte e delle regole che governano il loro comportamento. Equazioni e concetti Una rassegna del capitolo, che sottolinea importanti concetti e descrive importanti equazioni e formalismi. Suggerimenti, espedienti e strategie Suggerimenti e strategie per risolvere tipici problemi che lo studente incontrerà spesso durante lo studio. In alcuni casi, i suggerimenti riguardano gli espedienti matematici che sono necessari per l analisi dei problemi. Elenco di controllo Un elenco di argomenti e di tecniche che lo studente dovrebbe saper padroneggiare. Domande concettuali Si suggeriscono le risposte una serie di domande concettuali. Problemi Si forniscono le soluzioni per una serie di problemi rappresentativi scelti allo scopo di illustrare i concetti più importanti di ciascun capitolo. Appendici In appendice sono presenti un elenco di alcune costanti fisiche ed alcuni fattori di conversione. Noi tutti speriamo sinceramente che questo eserciziario vi sia utile nel rafforzare la vostra abilità nel risolvere i problemi, ottenendo con ciò un buon risultato negli esami. John R. Gordon Dept. of Physics James Madison University Harrisonburg, VA Ralph McGrew Dept. of Engineering Science, AT-101 Broome Community College Binghamton, NY Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr.

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5 Suggerimenti per lo studio Molto spesso ci sentiamo chiedere Come devo studiare questo argomento per prepararmi agli esami? Non esiste una semplice risposta a questa domanda, tuttavia desideriamo offrirvi alcuni suggerimenti che vi potranno essere utili. 1. È essenziale che comprendiate i concetti fondamentali e i principi prima di cimentarvi nella soluzione dei problemi. Ciò si ottiene principalmente leggendo accuratamente il libro di testo, prendendo nota di quei punti che non vi sono chiari, appuntandoli accuratamente durante la lezione e facendo domande. Bisognerebbe tentare di ridurre al minimo la memorizzazione del materiale. Ricordare a memoria paragrafi del testo, equazioni e sviluppi non vuol dire necessariamente che ne abbiate capito i concetti. Forse, la miglior prova della vostra comprensione sarà la vostra abilità nel risolvere i problemi del testo o quelli dati agli esami. 2. Il metodo di risolvere i problemi dovrebbe essere accuratamente pianificato. Primo, leggere il problema alcune volte fino a quando siete convinti di aver capito ciò che viene richiesto. Stare attenti alle parole chiave che sono di aiuto per semplificare il problema e forse vi permettono di fare certe assunzioni. Dovreste dedicare una particolare attenzione alle informazioni contenute nel problema. In molti casi un semplice diagramma è un buon punto di partenza, ed è sempre un ottima idea quella di scrivere tutti i dati prima di tentare di risolvere il problema. Dopo aver deciso il metodo da seguire per un particolare problema, procedere con la soluzione. Se trovate difficoltà nello sviluppo dei problemi, vi suggeriamo di leggere nuovamente il libro di testo e i vostri appunti. Saranno necessarie varie letture prima di essere pronti a risolvere certi problemi, sebbene quelli risolti in questo eserciziario dovrebbero esservi di aiuto allo scopo. In ogni caso, la vostra soluzione di un problema non deve essere necessariamente simile a quella da noi proposta. Un problema, qualche volta, si può risolvere in modi diversi, partendo da principi diversi. Se rimanete interdetti circa la validità di una soluzione alternativa, chiedete al vostro docente. 3. Dopo aver studiato un determinato argomento, dovreste essere in grado di definire tutte le nuove grandezze che sono state introdotte e discutere i principi primi che sono stati usati per derivare le formule fondamentali. Dovreste essere capaci di associare correttamente a ciascuna grandezza fisica il simbolo usato per rappresentarla (inclusa la notazione vettoriale, se è il caso) e l unità SI nella quale la grandezza viene espressa. Inoltre, dovrev

6 ste essere in grado di spiegare a parole, in modo conciso ed accurato, ogni formula o equazione importante. 4. Il nostro suggerimento è di usare questo eserciziario come guida nella preparazione agli esami. Lo scopo principale è di migliorare l efficienza e l efficacia delle vostre ore di studio e la vostra totale comprensione dei concetti fisici. Comunque, questo manuale non deve essere considerato un sostituto del vostro libro di testo ma un valido aiuto per esercitarvi nella risoluzione dei problemi. vi

7 Indice generale Titolo Pagina Capitolo 1 Introduzione e vettori 1 Capitolo 2 Moto in una dimensione 20 Capitolo 3 Moto in due dimensioni 36 Capitolo 4 Le leggi del moto 56 Capitolo 5 Altre applicazioni delle leggi di Newton 75 Capitolo 6 Energia e trasferimento di energia 93 Capitolo 7 Energia potenziale 109 Capitolo 8 Quantità di moto e urti 127 Capitolo 9 Relatività 146 Capitolo 10 Moto rotazionale 162 Capitolo 11 La gravità, le orbite planetarie e l atomo di idrogeno 189 Capitolo 12 Moto oscillatorio 207 Capitolo 13 Onde meccaniche 228 Capitolo 14 Sovrapposizione e onde stazionarie 245 Capitolo 15 Meccanica dei fluidi 263 Capitolo 16 Temperatura e teoria cinetica dei gas 279 Capitolo 17 Capitolo 18 Energia nelle trasformazioni termodinamiche: il primo principio della termodinamica 297 Macchine termiche, entropia e secondo principio della termodinamica 317 vii

8 Capitolo 19 Forze elettriche e campi elettrici 334 Capitolo 20 Potenziale elettrico e capacità 356 Capitolo 21 Corrente e circuiti a corrente continua 380 Capitolo 22 Forze e campi magnetici 403 Capitolo 23 Legge di Faraday e induttanza 423 Capitolo 24 Onde elettromagnetiche 442 Capitolo 25 Riflessione e rifrazione della luce 459 Capitolo 26 Formazione dell immagine da specchi e lenti 475 Capitolo 27 Ottica ondulatoria 494 Capitolo 28 Fisica quantistica 515 Capitolo 29 Fisica atomica 536 Capitolo 30 Fisica nucleare 555 Capitolo 31 Fisica delle particelle 573 Appendici Costanti fisiche ed altri dati 589 Fattori di conversione 590 viii