Indice Capitolo 1 Le misure 1 1.1 L aspetto fisico 2 1.2 Misurare oggetti 2 1.3 Il Sistema Internazionale delle unità di misura 2 1.4 Cambiare unità 3 1.5 Lunghezza 4 1.6 Tempo 5 1.7 Massa 7 Riepilogo & sommario 8 Problemi 8 Capitolo 2 Moto rettilineo 11 2.1 L aspetto fisico 12 2.2 Il moto 12 2.3 Posizione e spostamento 12 2.4 Velocità media: vettoriale e scalare 13 2.5 Velocità istantanea: vettoriale e scalare 15 2.6 Accelerazione 17 2.7 Accelerazione costante: un caso particolare 19 2.8 Un altra occhiata al moto uniformemente accelerato 22 2.9 Accelerazione nel moto di caduta libera 23 2.10 Integrazione con metodo grafico nell analisi del moto 25 Riepilogo & sommario 26 Quesiti 27 Problemi 28 Capitolo 3 Vettori 33 3.1 L aspetto fisico 34 3.2 Vettori e scalari 34 3.3 Somma di vettori: metodo grafico 34 3.4 I vettori e le loro componenti 36 3.5 Vettori unitari 39 3.6 Addizione di vettori per mezzo delle loro componenti 40 3.7 I vettori e le leggi della fisica 43 3.8 Prodotto di vettori 43 Riepilogo & sommario 47 Quesiti 47 Problemi 48 Capitolo 4 Moto in due e tre dimensioni 53 4.1 L aspetto fisico 54 4.2 Posizione e spostamento 54 4.3 Velocità vettoriale media e istantanea 56 4.4 Accelerazione media e accelerazione istantanea 58 4.5 Moto dei proiettili 59 4.6 Analisi del moto dei proiettili 61 4.7 Moto circolare uniforme 65 4.8 Moto relativo unidimensionale 66 4.9 Moto relativo bidimensionale 68 Riepilogo & sommario 69 Quesiti 70 Problemi 71 Capitolo 5 Forza e moto 1 77 5.1 L aspetto fisico 78 5.2 Meccanica newtoniana 78 5.3 Prima legge di Newton 78 5.4 La forza 79 5.5 La massa 80 5.6 Seconda legge di Newton 81 5.7 Alcune forze particolari 85 5.8 Terza legge di Newton 89 5.9 Applicazioni delle leggi di Newton 90 Riepilogo & sommario 95 Quesiti 96 Problemi 97 Capitolo 6 Forza e moto 2 103 6.1 L aspetto fisico 104 6.2 Attrito 104 6.3 Le proprietà dell attrito 105 6.4 Resistenza del mezzo e velocità limite 108 6.5 Moto circolare uniforme 111 Riepilogo & sommario 115 Quesiti 116 Problemi 117 iii
ivmmindice Capitolo 7 Energia cinetica e lavoro 123 7.1 L aspetto fisico 124 7.2 Che cos è l energia? 124 7.3 Energia cinetica 124 7.4 Il lavoro 125 7.5 Lavoro ed energia cinetica 126 7.6 Lavoro svolto dalla forza gravitazionale 129 7.7 Lavoro svolto da una forza elastica 132 7.8 Lavoro svolto da una generica forza variabile 135 7.9 Potenza 138 Riepilogo & sommario 140 Quesiti 141 Problemi 142 Capitolo 8 Energia potenziale e conservazione dell energia 147 8.1 L aspetto fisico 148 8.2 Lavoro ed energia potenziale 148 8.3 Indipendenza dal percorso per le forze conservative 149 8.4 Determinazione dell energia potenziale 151 8.5 Conservazione dell energia meccanica 153 8.6 Le curve dell energia potenziale 157 8.7 Lavoro svolto su un sistema da una forza esterna 159 8.8 Conservazione dell energia 163 Riepilogo & sommario 166 Quesiti 167 Problemi 168 Capitolo 9 Centro di massa e quantità di moto 175 9.1 L aspetto fisico 176 9.2 Il centro di massa 176 9.3 Seconda legge di Newton per un sistema di punti materiali 180 9.4 Quantità di moto 183 9.5 Quantità di moto di un sistema di punti materiali 184 9.6 Urto e impulso 184 9.7 Conservazione della quantità di moto 187 9.8 Quantità di moto ed energia cinetica negli urti 190 9.9 Urti anelastici in una dimensione 190 9.10 Urti elastici in una dimensione 193 9.11 Urti in due dimensioni 196 9.12 Sistemi a massa variabile: i razzi 196 Riepilogo & sommario 198 Quesiti 199 Problemi 200 Capitolo 10 Rotazione 209 10.1 L aspetto fisico 210 10.2 Variabili rotazionali 210 10.3 Le grandezze angolari sono vettori? 213 10.4 Rotazione con accelerazione angolare costante 215 10.5 Variabili lineari e angolari 216 10.6 Energia cinetica rotazionale 219 10.7 Calcolo del momento d inerzia 220 10.8 Momento di una forza 222 10.9 Seconda legge di Newton per il moto rotatorio 224 10.10 Lavoro ed energia cinetica rotazionale 226 Riepilogo & sommario 229 Quesiti 230 Problemi 231 Capitolo 11 Rotolamento, momento della forza e momento angolare 237 11.1 L aspetto fisico 238 11.2 Rotolamento: una combinazione di trslazione e rotazione 238 11.3 L energia cinetica nel rotolamento 239 11.4 Le forze nel rotolamento 240 11.5 Lo yo-yo 242 11.6 Rivediamo il momento di una forza 243 11.7 Momento angolare 244 11.8 Seconda legge di Newton in forma angolare 246 11.9 Momento angolare di un sistema di particelle 248 11.10 Momento angolare di un corpo rigido che ruota intorno a un asse fisso 248 11.11 Conservazione del momento angolare 251 11.12 Precessione del giroscopio 254 Riepilogo & sommario 255 Quesiti 256 Problemi 257 Capitolo 12 Equilibrio ed elasticità 263 12.1 L aspetto fisico 264 12.2 Equilibrio 264 12.3 I requisiti per l equilibrio 265 12.4 Centro di gravità 266 12.5 Alcuni esempi di equilibrio statico 268 12.6 Strutture indeterminate 272
IndiceMMv 12.7 Elasticità 273 Riepilogo & sommario 276 Quesiti 277 Problemi 278 Capitolo 13 Gravitazione 285 13.1 L aspetto fisico 286 13.2 Legge di gravitazione di Newton 286 13.3 Gravitazione e principio di sovrapposizione 288 13.4 Gravità in prossimità della superficie terrestre 290 13.5 Gravitazione all interno della Terra 292 13.6 Energia potenziale gravitazionale 293 13.7 Pianeti e satelliti: leggi di Keplero 296 13.8 I satelliti: orbite ed energie 299 13.9 Einstein e la gravitazione 301 Riepilogo & sommario 303 Quesiti 304 Problemi 305 Capitolo 14 I fluidi 309 14.1 L aspetto fisico 310 14.2 Che cos è un fluido? 310 14.3 Massa volumica e pressione 310 14.4 Fluidi a riposo 313 14.5 Misura della pressione 315 14.6 Principio di Pascal 316 14.7 Principio di Archimede 317 14.8 Fluidi ideali in movimento 320 14.9 Equazione di continuità 321 14.10 Equazione di Bernoulli 323 Riepilogo & sommario 326 Quesiti 327 Problemi 328 Capitolo 15 Le oscillazioni 333 15.1 L aspetto fisico 334 15.2 Moto armonico semplice 334 15.3 Moto armonico semplice: legge della forza 337 15.4 Moto armonico semplice: considerazioni sull energia 339 15.5 Un oscillatore armonico semplice angolare 340 15.6 I pendoli 341 15.7 Moto armonico semplice e moto circolare uniforme 345 15.8 Moto armonico semplice smorzato 346 15.9 Oscillazioni forzate e risonanza 348 Riepilogo & sommario 349 Quesiti 350 Problemi 350 Capitolo 16 Onde 1 355 16.1 L aspetto fisico 356 16.2 Onde 356 16.3 Onde trasversali e longitudinali 356 16.4 Lunghezza d onda e frequenza 358 16.5 Velocità di un onda in moto 360 16.6 Velocità dell onda su una corda tesa 363 16.7 Energia e potenza di un onda in moto su una corda 365 16.8 Equazione d onda 367 16.9 Il principio di sovrapposizione per le onde 368 16.10 Interferenza di onde 369 16.11 Vettori di fase 371 16.12 Onde stazionarie 373 16.13 Onde stazionarie e risonanza 375 Riepilogo & sommario 376 Quesiti 377 Problemi 378 Capitolo 17 Onde 2 383 17.1 L aspetto fisico 384 17.2 Onde acustiche 384 17.3 Velocità del suono 384 17.4 Onde acustiche in moto 387 17.5 Interferenza 389 17.6 Intensità e livello sonoro 391 17.7 Strumenti musicali 394 17.8 Battimenti 397 17.9 Effetto Doppler 398 17.10 Velocità supersoniche e onde d urto 401 Riepilogo & sommario 403 Quesiti 404 Problemi 404 Capitolo 18 Temperatura, calore e prima legge della termodinamica 409 18.1 L aspetto fisico 410 18.2 La termperatura 410 18.3 La legge zero della termodinamica 410 18.4 Misura della temperatura 411 18.5 Le scale Celsius e Fahrenheit 413 18.6 Dilatazione termica 414
vimmindice 18.7 Temperatura e calore 416 18.8 Assorbimento del calore da parte di solidi e liquidi 417 18.9 Uno sguardo più da vicino al calore e al lavoro 420 18.10 Prima legge della termodinamica 422 18.11 Alcuni casi particolari della prima legge della termodinamica 423 18.12 Trasmissione del calore 425 Riepilogo & sommario 429 Quesiti 430 Problemi 431 Capitolo 19 Teoria cinetica dei gas 437 19.1 L aspetto fisico 438 19.2 Numero di Avogadro 438 19.3 Gas ideali 439 19.4 Pressione, temperatura e velocità quadratica media 442 19.5 Energia cinetica traslazionale 444 19.6 Libero cammino medio 444 19.7 Distribuzione delle velocità molecolari 446 19.8 Calori specifici molari per un gas perfetto 449 19.9 Gradi di libertà e calore specifico molare 452 19.10 Un accenno alla teoria quantistica 454 19.11 Espansione adiabatica di un gas ideale 454 Riepilogo & sommario 457 Quesiti 458 Problemi 459 Capitolo 20 Entropia e seconda legge della termodinamica 463 20.1 L aspetto fisico 464 20.2 Processi irreversibili ed entropia 464 20.3 Variazione di entropia 464 20.4 Seconda legge della termodinamica 468 20.5 L entropia nel mondo reale: macchine termiche 469 20.6 L entropia nel mondo reale: macchine frigorigene 473 20.7 Rendimenti delle macchine reali 475 20.8 Entropia e statistica 476 Riepilogo & sommario 479 Quesiti 480 Problemi 480 Capitolo 21 Carica elettrica 483 21.1 L aspetto fisico 486 21.2 Carica elettrica 486 21.3 Conduttori e isolanti 487 21.4 Legge di Coulomb 489 21.5 La carica è quantizzata 494 21.6 La carica si conserva 495 Riepilogo & sommario 496 Quesiti 497 Problemi 498 Capitolo 22 Campi elettrici 501 22.1 L aspetto fisico 502 22.2 Il campo elettrico 502 22.3 Linee di forza di un campo elettrico 503 22.4 Campo elettrico generato da una carica puntiforme 504 22.5 Campo elettrico generato da un dipolo elettrico 506 22.6 Campo elettrico generato da una carica lineare 508 22.7 Campo elettrico generato da un disco carico 512 22.8 Carica puntiforme in un campo elettrico 513 22.9 Dipolo in un campo elettrico 515 Riepilogo & sommario 517 Quesiti 518 Problemi 519 Capitolo 23 Legge di Gauss 523 23.1 L aspetto fisico 524 23.2 Flusso 524 23.3 Flusso del campo elettrico 525 23.4 Legge di Gauss 527 23.5 Legge di Gauss e legge di Coulomb 529 23.6 Un conduttore carico isolato 530 23.7 Legge di Gauss: simmetria cilindrica 532 23.8 Legge di Gauss: simmetria piana 533 23.9 Legge di Gauss: simmetria sferica 536 Riepilogo & sommario 537 Quesiti 538 Problemi 538 Capitolo 24 Potenziale elettrico 543 24.1 L aspetto fisico 544
IndiceMMvii 24.2 Energia potenziale elettrica 544 24.3 Potenziale elettrico 545 24.4 Superfici equipotenziali 547 24.5 Come calcolare il potenziale dato il campo elettrico 547 24.6 Potenziale dovuto a una carica puntiforme 550 24.7 Potenziale dovuto a un insieme di cariche puntiformi 551 24.8 Potenziale dovuto a un dipolo elettrico 552 24.9 Potenziale dovuto a una distribuzione continua di carica 553 24.10 Come calcolare il campo elettrico dato il potenziale 555 24.11 Energia potenziale elettrica in presenza di un sistema di cariche puntiformi 556 24.12 Potenziale di un conduttore carico isolato 558 Riepilogo & sommario 560 Quesiti 561 Problemi 562 Capitolo 25 Capacità elettrica 567 25.1 L aspetto fisico 568 25.2 Capacità elettrica 568 25.3 Calcolo della capacità elettrica 570 25.4 Condensatori in serie e in parallelo 573 25.5 Energia immagazzinata in un campo elettrico 576 25.6 Condensatore in presenza di un dielettrico 579 25.7 Dielettrici: l aspetto atomico 581 25.8 Dielettrici e legge di Gauss 582 Riepilogo & sommario 584 Quesiti 585 Problemi 585 Capitolo 26 Corrente e resistenza 591 26.1 L aspetto fisico 592 26.2 Corrente elettrica 592 26.3 Densità di corrente 594 26.4 Resistenza e resistività 596 26.5 Legge di Ohm 600 26.6 Legge di Ohm dal punto di vista microscopico 601 26.7 Potenza nei circuiti elettrici 603 26.8 Semiconduttori 604 26.9 Superconduttori 605 Riepilogo & sommario 606 Quesiti 607 Problemi 608 Capitolo 27 I circuiti 611 27.1 L aspetto fisico 612 27.2 Una «pompa» per le cariche 612 27.3 Lavoro, energia e f.e.m. 612 27.4 Calcolo della corrente nel circuito elementare 613 27.5 Altri circuiti a maglia singola 615 27.6 Differenza di potenziale tra due punti 617 27.7 Circuiti a più maglie 619 27.8 Amperometri e voltmetri 624 27.9 Circuiti RC 625 Riepilogo & sommario 629 Quesiti 629 Problemi 630 Capitolo 28 Campi magnetici 637 28.1 L aspetto fisico 638 28.2 Come si genera un campo magnetico? 638 28.3 Definizione di B 638 28.4 Campi incrociati: scoperta dell elettrone 641 28.5 Campi incrociati: effetto Hall 643 28.6 Carica in moto circolare 645 28.7 Ciclotroni e sincrotroni 649 28.8 Forza magnetica agente su un filo percorso da corrente 651 28.9 Momento di un dipolo magnetico 654 28.10 Momento torcente su una spira percorsa da corrente 652 Riepilogo & sommario 656 Quesiti 657 Problemi 658 Capitolo 29 Campi magnetici generati da corrente 663 29.1 L aspetto fisico 664 29.2 Calcolo del campo magnetico generato da corrente 664 29.3 Forza tra due conduttori paralleli 669 29.4 Legge di Ampère 671 29.5 Solenoidi e toroidi 674 29.6 Dipolo magnetico costituito da una bobina percorsa da corrente 676 Riepilogo & sommario 678 Quesiti 679 Problemi 680
viiimmindice Capitolo 30 Induzione e induttanza 685 30.1 L aspetto fisico 686 30.2 Due esperimenti 686 30.3 Legge di induzione di Faraday 687 30.4 Legge di Lenz 689 30.5 Induzione e trasferimenti di energia 692 30.6 Campi elettrici indotti 694 30.7 Induttori e induttanze 698 30.8 Autoinduzione 699 30.9 Circuiti RL 700 30.10 Energia immagazzinata in un campo magnetico 703 30.11 Densità di energia di un campo magnetico 705 30.12 Mutua induttanza 706 Riepilogo & sommario 708 Quesiti 709 Problemi 710 Capitolo 31 Oscillazioni elettromagnetiche e correnti alternate 719 31.1 L aspetto fisico 720 31.2 Oscillazioni LC, analisi qualitativa 720 31.3 L analogia elettricità-meccanica 722 31.4 Oscillazioni LC, analisi quantitativa 723 31.5 Oscillazioni smorzate in un circuito RLC 726 31.6 Corrente alternata 727 31.7 Oscillazioni forzate 728 31.8 Tre circuiti semplici 729 31.9 Circuito RLC in serie 734 31.10 Potenza nei circuiti a corrente alternata 737 31.11 Il trasformatore 739 Riepilogo & sommario 743 Quesiti 744 Problemi 745 Capitolo 32 Proprietà magnetiche della materia. Equazioni di Maxwell 749 32.1 L aspetto fisico 750 32.2 Legge di Gauss per il magnetismo 750 32.3 Campi magnetici indotti 752 32.4 Corrente di spostamento 754 32.5 Equazioni di Maxwell 756 32.6 Magneti 756 32.7 Magnetismo ed elettroni 757 32.8 Materiali magnetici 761 32.9 Diamagnetismo 761 32.10 Paramagnetismo 763 32.11 Ferromagnetismo 764 Riepilogo & sommario 768 Quesiti 769 Problemi 770 Capitolo 33 Onde elettromagnetiche 773 33.1 L aspetto fisico 774 33.2 «L arcobaleno di Maxwell» 774 33.3 Propagazione dell onda elettromagnetica. Trattazione qualitativa 775 33.4 Propagazione dell onda elettromagnetica. Trattazione quantitativa 778 33.5 Trasporto di energia e vettore di Poynting 781 33.6 Pressione di radiazione 783 33.7 Polarizzazione 785 33.8 Riflessione e rifrazione 788 33.9 Riflessione totale 793 33.10 Polarizzazione per riflessione 794 Riepilogo & sommario 795 Quesiti 796 Problemi 796 Capitolo 34 Immagini 803 34.1 L aspetto fisico 804 34.2 Due tipi di immagine 804 34.3 Specchi piani 805 34.4 Specchi sferici 807 34.5 Immagini negli specchi sferici 808 34.6 Superfici rifrangenti sferiche 811 34.7 Lenti sottili 813 34.8 Strumenti ottici 818 34.9 Tre dimostrazioni 821 Riepilogo & sommario 823 Quesiti 824 Problemi 825 Capitolo 35 Interferenza 831 35.1 L aspetto fisico 832 35.2 La luce come onda 832 35.3 Diffrazione 836 35.4 Esperimento di Young sull interferenza 836 35.5 Coerenza 840 35.6 Intensità nell interferenza da doppia fenditura 841 35.7 Interferenza su pellicole sottili 844
IndiceMMix 35.8 Interferometro di Michelson 849 Riepilogo & sommario 850 Quesiti 851 Problemi 851 Capitolo 36 Diffrazione 857 36.1 L aspetto fisico 858 36.2 Diffrazione e teoria ondulatoria della luce 858 36.3 Diffrazione da singola fenditura: posizione dei minimi 859 36.4 Intensità nella diffrazione da singola fenditura: trattazione qualitativa 861 36.5 Intensità nella diffrazione da singola fenditura: trattazione quantitativa 863 36.6 Diffrazione attraverso un foro circolare 865 36.7 Diffrazione da doppia fenditura 868 36.8 Reticoli di diffrazione 870 36.9 Reticoli: dispersione e potere risolvente 874 36.10 Rifrazione dei raggi X 876 Riepilogo & sommario 878 Quesiti 878 Problemi 879 Appendici A Sistema internazionale di unità di misura (SI) A1 B Alcune costanti fondamentali della fisica A3 C Alcuni dati astronomici A4 D Fattori di conversione A5 E Formule matematiche A9 F Proprietà degli elementi A12 G Tavola periodica degli elementi A15 Risposte alle verifiche e a quesiti e problemi di numero dispari Fonti delle illustrazioni Indice analitico I1 F1 R1