COME UNZIONA L ESAME COME UNZIONA L ESAME n Le prove d esame L Esame di Stato si articola in due prove disciplinari (la prima e la seconda prova scritta) e in due prove di carattere pluridisciplinare (la terza prova scritta e il colloquio). La prima prova scritta, la stesura di un testo, è comune a tutti i tipi di istituto scolastico. La seconda prova scritta ha per oggetto una delle materie caratterizzanti il corso di studi e quindi varia a seconda dell indirizzo scolastico. La terza prova scritta coinvolge più materie affrontate nel corso dell ultimo anno e prevede la stesura di testi scritti o l esecuzione di prove grafiche o pratiche. Il colloquio, infine, è articolato in varie fasi e si svolge alla presenza dell intera commissione. n La valutazione delle prove La valutazione finale dell esame è data dalla somma dei punteggi ottenuti dal candidato nelle tre prove scritte, nel colloquio e nel credito scolastico. Il punteggio finale è in centesimi e la sufficienza si raggiunge totalizzando almeno 60 punti. I 00 punti a disposizione del candidato sono suddivisi nel modo seguente: un massimo di 5 punti per il credito scolastico sommato dallo studente nel corso del triennio conclusivo di studio, un massimo di 5 punti per ciascuna delle tre prove scritte, un massimo di 30 punti per il colloquio. ermo restando il punteggio massimo di 00, la commissione ha la facoltà di assegnare un «bonus», per un massimo di 5 punti, agli studenti che si presentino all esame con almeno 5 punti di credito e abbiano totalizzato almeno 70 punti nelle prove d esame. n Che cosa c è in questo volume In questo volume esamineremo le prove che compongono l esame, privilegiando gli aspetti che riguardano la isica. Per ciascuna prova scritta e per il colloquio analizzeremo: le tipologie e le fasi in cui si articolano, le capacità e le conoscenze che i candidati devono dimostrare e attivare, le difficoltà a cui porre attenzione e gli eventuali errori da evitare. Per il colloquio vedremo come si prepara una tesina e come la si presenta attraverso un supporto multimediale.
Esercizi per la terza prova La carica elettrica e la legge di Coulomb ESEMPIO La legge di Coulomb. Dopo aver enunciato la legge di Coulomb,illustrane le caratteristiche sia nel vuoto sia in presenza di un dielettrico. enunciato della legge di Coulomb; quali grandezze sono in relazione carattere vettoriale principio di sovrapposizione con più cariche la costante di proporzionalità la forza è minore in presenza di un dielettrico La legge di Coulomb riguarda la forza con cui due cariche elettriche puntiformi interagiscono tra loro. Il valore della forza di Coulomb è direttamente proporzionale al valore delle cariche elettriche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. In formula: ε0 Q Q r La forza è attrattiva o repulsiva a seconda del segno delle cariche e, come tutte le forze, è una grandezza vettoriale. In un sistema di più cariche, la forza risultante su ciascuna carica si ottiene sommando vettorialmente le forze dovute a tutte le altre cariche. L intensità della forza dipende anche dal mezzo interposto: infatti al denominatore compare la costante dielettrica assoluta del vuoto, che va moltiplicata per la costante dielettrica relativa in presenza di un mezzo diverso dal vuoto. La forza in questo caso diminuisce, essendo la costante dielettrica relativa sempre maggiore di. Elettrizzazione per induzione. Descrivi come avviene il processo di elettrizzazione per induzione di un corpo. 3 ESEMPIO Che cosa distingue i conduttori dagli isolanti? 5 6 La differenza principale tra corpi conduttori e corpi isolanti risiede nella mobilità delle cariche elettriche. Nei primi le cariche elettriche negative (elettroni) sono libere di muoversi all interno del corpo, mentre nei secondi questo non avviene. La distinzione non è assoluta e netta, perché sotto particolari condizioni anche un isolante può diventare conduttore. Entrambi possono essere caricati per strofinìo, ma negli isolanti la carica in eccesso resta localizzata, mentre nei conduttori si distribuisce su tutto l oggetto elettrizzato. Descrivi il funzionamento di un elettroscopio. Confronta la legge di Coulomb con la legge di gravitazione universale. Che cosa si intende per polarizzazione di un dielettrico? Il campo elettrico 7 ESEMPIO Teorema di Gauss per il campo elettrico. Dopo aver enunciato il teorema di Gauss,utilizzalo per determinare il modulo del campo elettrico in prossimità di un piano infinitamente esteso e uniformemente carico. enunciato del teorema di Gauss direzione, verso e modulo del campo elettrico in prossimità del piano definizione della densità superficiale di carica dimostrazione (con superficie gaussiana cilindrica) si calcola il flusso attraverso le due basi del cilindro Il teorema di Gauss afferma che il flusso del campo elettrico attraverso una superficie di forma qualunque, purché chiusa, è uguale alla carica netta Q contenuta all interno della superficie, divisa per la costante dielettrica assoluta del mezzo ε. In formula: Φ(E ) Q/ε. Il vettore campo elettrico in prossimità di un piano infinitamente esteso e uniformemente carico è sempre perpendicolare al piano, il suo verso dipende dal segno della
TIPOLOGIE A E B 8 carica. Il suo modulo è indipendente dalla distanza dal piano e vale E σ/ε, dove σ Q/ S è la densità superficiale della carica distribuita sul piano. Il modulo può essere ottenuto dal teorema di Gauss prendendo una superficie gaussiana di forma cilindrica, con le basi parallele al piano e da esso equidistanti. Il flusso Φ del campo elettrico è nullo attraverso la superficie laterale del cilindro (essendo la direzione del campo parallela alla superficie) e vale, su ciascuna della due basi, E S Q/ε σ S /ε. Il flusso totale vale pertanto E S σ/ S da cui: E σ/ε. Campo elettrico. Introduci il concetto di campo elettrico e fornisci alcuni esempi anche disegnando le linee del campo. ESEMPIO Determina le caratteristiche del campo elettrico all esterno di una distribuzione sferica di carica. 0 Il campo elettrico all esterno di una distribuzione di cariche ha una direzione radiale dal centro della sfera, il verso è uscente se la carica è positiva, entrante se negativa. L intensità del campo è proporzionale alla carica Q contenuta nella sfera ed è inversamente proporzionale alla distanza r dal centro. Questo risultato è valido sia quando la carica è distribuita uniformemente all interno della sfera, sia quando è distribuita sulla sua superficie, costituendo un guscio sferico carico. In formula: E (/πε) Q/r. Descrivi i criteri con cui vengono tracciate le linee di campo elettrico e disegnale nel caso del campo prodotto da due cariche uguali e di segno opposto. Definisci il flusso del campo elettrico attraverso una superficie piana. Come sarà il campo elettrico risultante al centro di un quadrato sui cui vertici sono poste cariche identiche? Motiva la risposta. 3 Il potenziale elettrico 3 ESEMPIO La circuitazione del campo elettrostatico. Dopo aver introdotto la definizione di circuitazione, analizza la circuitazione del campo elettrostatico. linea chiusa orientata, divisione in n parti, prodotto scalare tra campo elettrico e spostamento definizione di circuitazione lavoro di una forza circuitazione nulla nel caso del campo elettrostatico il campo elettrostatico è conservativo Il potenziale elettrico. Introduci il concetto di potenziale elettrico e analizza il moto spontaneo delle cariche in presenza di una differenza di potenziale. 5 ESEMPIO In riferimento al campo elettrostatico, descrivi le caratteristiche delle linee di campo e delle superfici equipotenziali. 6 7 8 Le linee del campo elettrostatico hanno origine dalle cariche, sono tangenti in ogni punto al vettore risultante del campo elettrico e il loro verso è stabilito convenzionalmente uscente dalla cariche positive e diretto verso quelle negative. Le superfici equipotenziali rappresentano il luogo dei punti con lo stesso valore del potenziale elettrico. Le linee del campo elettrico e le superfici equipotenziali sono localmente perpendicolari tra loro. Analizza la relazione tra campo elettrico e potenziale elettrico. Confronta l energia potenziale elettrica con l energia potenziale meccanica. Disegna le linee equipotenziali nel caso di una carica puntiforme positiva, di un dipolo, di un campo elettrico uniforme. Il modello atomico ESEMPIO Il modello atomico di Rutherford. Descrivi nelle sue linee essenziali le caratteristiche del modello atomico ideato da Rutherford e gli esperimenti che condussero alla sua elaborazione. 0 Rutherford bombarda un bersaglio con particelle alfa ipotizza una interazione di tipo coulombiano misura gli angoli di deflessione per esplorare la struttura del bersaglio la deflessione a grandi angoli non è compatibile col modello di Thomson modello planetario di atomo con nucleo carico positivamente al centro rapporto /0000 per le dimensioni nucleo/atomo L esperimento di Millikan. Descrivi l esperimento svolto da Millikan, i risultati che ottenne e l interpretazione che ne diede. 0
LA CARICA ELETTRICA E LA LEGGE DI COULOMB LA CARICA ELETTRICA I corpi si possono elettrizzare, assumendo una carica elettrica totale di segno positivo o negativo: cariche di segno uguale si respingono, cariche di segno diverso si attraggono. ELETTRIZZAZIONE Gli elettroni possono passare da un corpo all altro. Un corpo elettrizzato negativamente ha un eccesso di elettroni; un corpo elettrizzato positivamente ha una mancanza di elettroni. Isolanti e conduttori Negli isolanti (plastica, ceramica) le cariche non possono spostarsi. Nei conduttori (ferro, corpo umano) vi sono cariche elettriche libere di muoversi. ELETTRIZZAZIONE PER STROINIO INDUZIONE Strofinando il vetro con la lana lo si può elettrizzare, cioè elettroni passano dal vetro alla lana. panno di lana vetro Riguarda i conduttori. È la ridistribuzione di carica, in un conduttore neutro (sfera metallica), causata dalla vicinanza di un corpo carico (plastica) Permette di caricare un conduttore neutro. plastica sfera di metallo scarica POLARIZZAZIONE ELETTRIZZAZIONE PER CONTATTO Parte della carica presente su un conduttore elettrizzato passa a un secondo conduttore che viene a contatto con esso. A B Riguarda gli isolanti. È la ridistribuzione di carica in un isolante neutro, causata dalla vicinanza di un corpo carico. Spiega perché piccoli oggetti neutri (come pezzettini di carta) sono attratti da una carica (penna strofinata). penna carta CARICA ELEMENTARE È l opposto della carica dell elettrone. Vale e,60 0 C. Tutte le particelle elementari conosciute hanno una carica che è un multiplo (positivo o negativo) di e. elettroni atomo di elio protoni CARICA ELETTRICA Un oggetto è carico se, messo a contatto con un elettroscopio, fa divaricare le sue foglie. Per misurare la carica elettrica si sceglie una carica come unità di misura, poi si tara l elettroscopio con una scala che misuri le divaricazioni delle foglioline. manico isolante UNITÀ DI MISURA coulomb (C) 0
MAPPE PER IL RIPASSO VISIVO LA LEGGE DI COULOMB La forza elettrica di Coulomb, come la forza gravitazionale, è una forza a distanza, e in condizioni ordinarie è molto più intensa di quella gravitazionale. Agisce solo tra corpi carichi, mentre la gravitazione agisce sempre. ORZA DI COULOMB NEL VUOTO k 0 Q Q r Q Q Il valore della forza elettrica tra due cariche puntiformi è direttamente proporzionale a ciascuna carica e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Se Q e Q hanno lo stesso segno, risulta positiva (forza repulsiva); invece, se Q e Q hanno segni diversi, risulta negativa (forza attrattiva). k 0 è una costante naturale di proporzionalità determinata sperimentalmente che nel vuoto vale k 0 8, 0 N m. C Q r r 3r Q Q Q UNITÀ DI MISURA newton (N) PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE La forza totale che agisce su una carica elettrica è uguale alla somma vettoriale delle singole forze che agirebbero su di essa se ciascuna delle altre cariche fosse presente da sola. forza esercitata da Q carica minore Q Q Q forza risultante agente su Q forza esercitata da Q carica maggiore COSTANTE DIELETTRICA ASSOLUTA DEL VUOTO È definita ponendo k 0. πε0 Vale ε 0 8,85 0 N m. La formula della forza di Coulomb diviene: Q Q r. πε0 C COSTANTE ε r Costante dielettrica relativa del mezzo ε r m È il rapporto tra la forza elettrica tra due cariche nel vuoto e la forza m tra le stesse due cariche in un mezzo materiale. È un numero puro. Nei mezzi materiali, a causa della loro polarizzazione, è sempre maggiore di. m πε ORZA DI COULOMB NELLA MATERIA Q Q r In un mezzo materiale isolante (per esempio nell acqua o dentro il vetro), a parità di cariche e di distanza, la forza di Coulomb m ha un valore minore di quello della forza che agisce nel vuoto, a causa della polarizzazione dell isolante. ε è la costante dielettrica assoluta del mezzo considerato e misura di quanto l intensità della forza elettrica è ridotta, rispetto al vuoto, dalla presenza del mezzo. COSTANTE ε Costante dielettrica assoluta del mezzo ε ε 0 ε r È il prodotto della costante dielettrica assoluta del vuoto ε 0 per la costante dielettrica relativa ε r del mezzo considerato. Ha le stesse unità di misura di ε 0.