Indice Prefazione Introduzione 1. La fisica e il metodo scientifico... 1 2. Grandezze fisiche, unità esistemi di unità di misura... 2 3. Lunghezza... 3 4. Intervallo di tempo... 6 5. Sistemi di unità... 8 6. Dimensioni ed equazioni dimensionali... 9 7. Misure ed errori... 10 Meccanica 1 Cinematica del punto materiale 1.1. Introduzione... 15 1.2. Sistemi di riferimento... 16 1.3. Equazioni del moto. Moti componenti... 16 1.4. Traiettoria. Equazione oraria... 17 1.5. Spostamenti... 18 1.6. Gradi di libertà... 18 1.7. Velocità eaccelerazione... 19 1.8. Moto rettilineo uniforme... 21 1.9. Moto uniformemente accelerato... 22 1.10. Moto circolare uniforme... 24 1.11. Moto armonico... 26 1.12. Moto circolare uniforme e moti armonici componenti... 27 1.13. Accelerazione in un moto con traiettoria giacente in un piano... 30 1.14. Moto di un punto con traiettoria qualsiasi 31 1.15. Moti centrali. Velocità areolare... 33 1.16. Definizione del moto dalla conoscenza dell accelerazione o della velocità... 34 1.17. Moto di un punto in sistemi di riferimento diversi... 35 2 Dinamica del punto materiale 2.1. Legge di inerzia. Terne di riferimento inerziali... 41 2.2. Forza... 44 2.3. Concetto di massa inerziale... 45 2.4. Secondo principio della dinamica... 48 2.5. Quantità di moto e impulso... 50 XI 2.6. Terzo principio della dinamica. Azione e reazione... 51 2.7. Critica e limiti della meccanica newtoniana 51 2.8. Forze e interazioni fondamentali... 53 2.9. Peso... 55 2.10. Forze elastiche... 57 2.11. Reazioni vincolari... 58 2.12. Attrito... 59 2.13. Resistenze passive... 62 2.14. Processi oscillatori... 62 2.15. Pendolo semplice... 66 2.16. Momento di una forza rispetto a un punto e rispetto a un asse... 68 2.17. Momento della quantità dimoto... 69 2.18. Teorema del momento della quantità di moto. Conservazione del momento della quantità dimoto... 70 2.19. Descrizione del moto in sistemi non inerziali... 72 2.20. Forze apparenti: la forza centrifuga... 74 2.21. Forze apparenti: la forza di Coriolis... 76 2.22. Conclusioni sulla dinamica del punto... 77 3 Lavoro ed energia per il punto materiale 3.1. Definizione di lavoro... 79 3.2. Potenza... 81 3.3. Energia cinetica. Teorema del lavoro e dell energia cinetica... 82 3.4. Campi di forza conservativi... 83 3.5. Energia potenziale... 86 3.6. Conservazione dell energia meccanica nel caso di forze conservative... 89 3.7. Energia nell oscillatore armonico... 90 3.8. Energia potenziale di gravitazione... 92 3.9. Energia meccanica di un punto materiale in campo conservativo... 95 3.10. Variazione dell energia meccanica in presenza di forze non conservative... 97 3.11. Conservazione dell energia... 99 3.12. Massa inerziale e massa gravitazionale... 100 3.13. Teoria della relatività ristretta... 101 4 Meccanica dei sistemi di punti materiali 4.1. Introduzione... 105 4.2. Centro di massa e moto del centro di massa 106
IV Indice 4.3. Quantità dimoto di un sistema e prima equazione cardinale della dinamica dei sistemi... 108 4.4. Principio di conservazione della quantitàdi moto... 109 4.5. Teorema del momento della quantità di moto... 110 4.6. Principio di conservazione del momento della quantità dimoto... 113 4.7. Teorema del lavoro e dell energia cinetica nei sistemi di punti... 114 4.8. Energia cinetica e moto del centro di massa 114 4.9. Energia potenziale... 116 4.10. Conservazione dell energia meccanica... 117 4.11. Problemi di meccanica dei sistemi... 118 4.12. Processi d urto... 119 4.13. Urto normale centrale... 121 5 Meccanica dei corpi rigidi 5.1. Introduzione... 127 5.2. Cinematica dei corpi rigidi... 128 5.3. Dinamica del corpo rigido... 129 5.4. Sistemi equivalenti di forze... 130 5.5. Corpo girevole intorno a un asse fisso... 132 5.6. Momento d inerzia... 135 5.7. Esempi di moto di rotazione intorno a un asse fisso... 136 5.8. Energia cinetica di un corpo rigido libero. 137 5.9. Statica... 139 5.10. Leve. Bilancia... 140 6 Meccanica dei corpi deformabili. Elasticità 6.1. Introduzione... 143 6.2. Deformazioni elastiche e plastiche... 144 6.3. Deformazioni di volume e di scorrimento. 145 6.4. Forze applicate e sforzi... 146 6.5. Legge di Hooke. Legge di sovrapposizione 149 6.6. Compressione di volume... 150 6.7. Deformazione di trazione e di scorrimento 151 6.8. Origine delle proprietà elastiche nei solidi 152 6.9. Sollecitazioni e deformazioni nei fluidi. La viscosità dei liquidi... 154 7 Meccanica dei fluidi 7.1. Introduzione... 159 7.2. Pressione in un punto di un fluido... 160 7.3. Equazioni della statica dei fluidi... 162 7.4. Statica dei fluidi pesanti... 163 7.5. Principio di Pascal... 166 7.6. Misura delle pressioni... 167 7.7. Principio di Archimede... 168 7.8. Dinamica dei fluidi... 170 7.9. Linee di flusso e di corrente... 171 7.10. Equazione di continuità... 172 7.11. Teorema del lavoro e dell energia cinetica per fluidi ideali. Equazione di Bernoulli.. 173 8 Onde in mezzi elastici 8.1. Introduzione... 177 8.2. Vari tipi di onde elastiche... 179 8.3. Onde piane longitudinali sinusoidali... 182 8.4. Velocitàdipropagazione ed equazione delle onde longitudinali... 186 8.5. Trasporto di energia e intensità diun onda 188 8.6. Onde longitudinali sferiche e onde trasversali... 189 8.7. Sovrapposizione e interferenza: onde stazionarie... 190 8.8. Principio di Huygens... 192 8.9. Propagazione delle onde... 193 8.10. Riflessione... 194 8.11. Rifrazione... 196 8.12. Fenomeni di diffrazione... 197 8.13. Sorgente o ricevitore in moto. Effetto Doppler... 200 8.14. Suoni e ultrasuoni... 204 8.15. Sorgenti unidimensionali... 205 8.16. Sorgenti bidimensionali... 210 8.17. Caratteri dei suoni... 212 8.18. La voce umana e l orecchio... 213 Termodinamica 9 Cenni di struttura atomica 9.1. Introduzione... 217 9.2. Teoria di Bohr per l atomo di idrogeno... 218 9.3. Livelli di energia degli elettroni in un atomo... 221 9.4. Struttura dell atomo. Sistema periodico degli elementi... 225 9.5. Forze fra atomi... 227 9.6. Molecole e cristalli... 231 10 Termologia 10.1. Introduzione... 235 10.2. Temperatura. Principio zero della termodinamica... 236 10.3. Scale termometriche... 239 10.4. Termometri... 243 10.5. Espansione termica dei solidi e dei liquidi 244 10.6. Quantità dicalore e calorimetria... 246 10.7. Trasmissione del calore - convezione... 248 10.8. Conduzione... 249 10.9. Irraggiamento... 251 11 Primo principio della termodinamica. Conservazione dell energia 11.1. Introduzione... 255 11.2. Sistemi termodinamici... 255 11.3. Equilibrio termodinamico... 256 11.4. Grandezze o variabili di stato. Equazioni di stato... 258 11.5. Trasformazioni... 260 11.6. Lavoro in trasformazioni reversibili... 262 11.7. Calore ed energia. Equivalente meccanico della caloria... 263 11.8. Primo principio della termodinamica. Principio di conservazione dell energia... 266 11.9. Capacità termiche e calori specifici... 268 11.10. Quantità di calore fornite a volume o a pressione costante. Entalpia... 270 11.11. Processi isotermi... 271 11.12. Processi adiabatici... 271 12 Stati gassoso, liquido e solido 12.1. Introduzione... 273 12.2. Equazione di stato per i gas perfetti... 273
Indice V 12.3. Energia interna di gas perfetti... 277 12.4. Espressione del primo principio della termodinamica per i gas perfetti... 278 12.5. Trasformazioni di gas perfetti... 279 12.6. Teoria cinetica e modello dei gas perfetti. 281 12.7. Pressione nella teoria cinetica... 282 12.8. Interpretazione cinetica della temperatura 284 12.9. Distribuzione delle velocità molecolari in stati di equilibrio... 285 12.10. Legge di Boltzmann di distribuzione delle energie... 287 12.11. Limiti della statistica di Maxwell-Boltzmann... 288 12.12. Calori specifici nei gas perfetti ed equipartizione dell energia... 289 12.13. Oscillatore armonico e rotatore libero nella meccanica quantistica... 292 12.14. Teoria quantistica dei calori specifici... 293 12.15. Isoterme per i gas reali nel piano pressionevolume... 296 12.16. Equazione di stato di Van der Waals... 297 12.17. Stato liquido ed equazione di Van der Waals... 301 12.18. Tensione superficiale nei liquidi... 303 12.19. Contatto di due fluidi con un terzo mezzo 306 12.20. Capillarità... 307 12.21. Evaporazione ed ebollizione... 309 12.22. Sublimazione... 312 12.23. Umidità... 312 12.24. Solidi cristallini e corpi amorfi... 313 12.25. Equazioni di stato... 315 12.26. Calori specifici dei solidi... 317 12.27. Fusione e solidificazione... 318 12.28. Liquidi a struttura quasi cristallina... 321 12.29. Calori specifici nei liquidi... 322 13 Secondo principio della termodinamica 13.1. Introduzione... 325 13.2. Macchine termiche... 325 13.3. Ciclo di Carnot... 326 13.4. Il secondo principio della termodinamica. 329 13.5. Teorema di Carnot... 330 13.6. Temperatura termodinamica... 332 13.7. Zero assoluto e sua irraggiungibilità... 334 13.8. Entropia... 335 13.9. Disuguaglianza di Clausius... 341 13.10. Entropia nei sistemi isolati. Processi irreversibili... 343 13.11. Temperatura ed entropia come coppia di variabili di stato... 343 13.12. Entropia e disordine... 345 13.13. Entropia ed espressioni del primo e del secondo principio della termodinamica... 347 13.14. Entropia di un gas perfetto... 349 13.15. Entropia nei cambiamenti di stato ed entropia di mescolamento... 349 13.16. Il terzo principio della termodinamica... 351 14 Funzioni termodinamiche caratteristiche 14.1. Introduzione... 357 14.2. Energia interna... 357 14.3. Entalpia... 359 14.4. Funzione di Helmholtz o energia libera a temperatura costante... 360 14.5. Funzione di Gibbs o entalpia libera... 362 15 Radiazione e materia 15.1. Introduzione... 365 15.2. Emissione, assorbimento e riflessione di energia raggiante... 365 15.3. Radiazione del corpo nero... 369 Elettromagnetismo 16 Elettrostatica 16.1. Introduzione... 375 16.2. Esperienze elementari... 376 16.3. Legge di Coulomb... 380 16.4. Quantizzazione e conservazione della carica... 384 16.5. Energia elettrostatica di un sistema di cariche puntiformi... 384 16.6. Il campo elettrico... 387 16.7. Rappresentazione del campo elettrico. Linee di forza... 391 16.8. Legge di Gauss... 392 16.9. Alcune applicazioni della legge di Gauss.. 395 16.10. Il potenziale elettrostatico... 401 16.11. Il potenziale elettrostatico per alcune distribuzioni di cariche... 405 16.12. Il dipolo elettrico... 407 16.13. Azioni su un dipolo in campo elettrico... 409 16.14. I conduttori nel campo elettrico... 410 16.15. Capacità econdensatori... 413 16.16. Energia immagazzinata in un condensatore. Energia nel campo elettrostatico... 418 16.17. Densità dicarica sulla superficie dei conduttori... 419 16.18. Forze sui conduttori carichi... 420 16.19. Strumenti elettrostatici... 422 16.20. Il campo elettrostatico nei dielettrici... 425 16.21. Il vettore spostamento elettrico... 431 16.22. Capacitàdiuncondensatore contenente un dielettrico... 431 16.23. Paragone dei valori del campo elettrico nel vuoto e in un mezzo dielettrico materiale... 432 16.24. Campo elettrico alla superficie di separazione di due dielettrici... 433 16.25. Forze fra cariche in un dielettrico... 434 16.26. Energia di un sistema di cariche in presenza di un dielettrico... 435 16.27. Interpretazione microscopica della polarizzazione nei dielettrici. Campo locale... 436 16.28. Intensità dipolarizzazione e momenti atomici di dipolo. Polarizzazione nei gas non densi... 436 16.29. Polarizzabilità ecostante dielettrica di mezzi densi... 441 16.30. Perdite nei dielettrici e rigidità... 443 16.31. Generatore di Van der Graaff... 444 17 Correnti elettriche stazionarie 17.1. Introduzione... 447
VI Indice 17.2. Densità eintensità della corrente di conduzione... 448 17.3. Vari tipi di corrente. Corrente di spostamento. Circuito elettrico... 451 17.4. Legge di Ohm. Resistenza... 453 17.5. Potenza in un tratto di circuito. Legge di Joule... 458 17.6. Forza elettromotrice... 459 17.7. Circuiti in serie... 462 17.8. Le regole di Kirchhoff per i circuiti... 466 17.9. Misurazione di differenze di potenziale, di resistenze e di potenze... 470 17.10. Teoremi sui circuiti... 471 17.11. Processi di conduzione nella materia... 473 17.12. Teoria di Drude degli elettroni liberi nei metalli... 480 17.13. Confronto fra teoria di Drude ed esperienza 484 17.14. I superconduttori... 486 17.15. Le equazioni circuitali per condizioni quasi stazionarie... 487 18 Il campo magnetico di correnti stazionarie 18.1. Introduzione... 491 18.2. Azioni magnetiche. Vettore induzione magnetica... 492 18.3. Forze magnetiche su cariche puntiformi in moto... 495 18.4. Forza magnetica su una corrente. Seconda formula di Laplace... 499 18.5. Sollecitazione su un circuito percorso da corrente... 500 18.6. Campo magnetico creato da correnti. Prima formula di Laplace... 502 18.7. Il vettore per alcune distribuzioni di cariche inmoto... 505 18.8. Azioni fra correnti. Definizione dell ampère... 507 18.9. Momento magnetico di una spira e di una bobina percorsa da corrente... 509 18.10. Strumenti di misura di correnti... 511 18.11. Proprietà fondamentali di... 513 18.12. Potenziale scalare... 516 18.13. Il vettore intensità del campo magnetico. 516 18.14. I vettori magnetici nella materia... 517 18.15. Campo magnetico alla superficie di separazione di due mezzi... 523 18.16. Vari tipi di materiali... 525 18.17. Impieghi dei materiali ferromagnetici... 527 18.18. Poli magnetici. Aghi magnetici... 530 18.19. Circuito magnetico... 531 18.20. Progetto di magneti permanenti... 533 18.21. Spiegazione classica del comportamento magnetico della materia. Momenti magnetici atomici... 535 18.22. Momenti della quantità dimoto e momenti magnetici per sistemi atomici nella meccanica quantistica... 541 18.23. Teoria quantistica del paramagnetismo atomico... 543 18.24. Ferromagnetismo. Ipotesi di Weiss. Domini ferromagnetici e loro magnetizzazione spontanea... 545 18.25. Interazioni responsabili del campo molecolare. Teoria di Heisenberg... 548 18.26. Anisotropia ferromagnetica e magnetostrizione... 549 18.27. Domini magnetici... 550 18.28. Curva di magnetizzazione e ciclo di isteresi 554 18.29. Il campo magnetico terrestre... 557 19 L induzione elettromagnetica 19.1. Introduzione... 561 19.2. Legge di Faraday-Neumann-Lenz... 561 19.3. Interpretazione microscopica delle esperienze di induzione elettromagnetica... 564 19.4. Alcuni esempi di induzione elettromagnetica... 570 19.5. Forza elettromotrice indotta in condizioni quasi stazionarie. Coefficienti di mutua induzione e autoinduzione... 575 19.6. Circuito RL... 578 19.7. Energia in un induttore. Densitàdienergia nel campo magnetico... 580 20 Le correnti alternate nell approssimazione di stati quasi-stazionari 20.1. Introduzione... 583 20.2. Metodi di rappresentazione di grandezze sinusoidali... 586 20.3. Circuiti serie in corrente alternata... 591 20.4. Trattazione generale di reti in corrente alternata mediante la rappresentazione con numeri complessi... 600 20.5. Potenza nei circuiti in corrente alternata. 603 20.6. Misurazione delle grandezze nei circuiti in corrente alternata... 605 20.7. Oscillazioni libere in un circuito RLC... 606 20.8. Trasformatore statico... 611 21 Le equazioni di Maxwell e le onde elettromagnetiche 21.1. Introduzione... 617 21.2. Le equazioni di Maxwell... 617 21.3. Propagazione di una perturbazione elettromagnetica in un mezzo dielettrico omogeneo, privo di cariche e correnti... 626 21.4. Onde piane in un dielettrico omogeneo... 629 21.5. Energia delle onde elettromagnetiche. Vettore di Poynting... 634 21.6. Propagazione delle onde elettromagnetiche 636 21.7. Riflessione e rifrazione di onde piane... 638 21.8. Polarizzazione... 642 21.9. Polarizzazione per riflessione... 646 Ottica 22 Natura della luce e trattazione dell ottica 22.1. Teoria ondulatoria e corpuscolare... 649 22.2. Sorgenti di luce... 653 22.3. Velocità della luce... 654 23 Ottica geometrica 23.1. Introduzione... 659 23.2. Sistemi ottici e immagini... 661
Indice VII 23.3. Formazione di immagini per riflessione... 663 23.4. Convenzioni sui segni per gli spazi oggetto e immagine... 667 23.5. Distanza focale. Formula degli specchi sferici. Costruzione grafica delle immagini.. 668 23.6. Formazione di immagini per rifrazione... 674 23.7. Proprietà generali dei sistemi ottici centrati... 679 23.8. Lenti sferiche sottili... 684 23.9. Aberrazioni delle lenti... 689 23.10. Dispositivi ottici per la formazione di immagini... 690 24 Ottica fisica 24.1. Introduzione... 701 24.2. Principio di Huygens-Fresnel... 701 24.3. Interferenza... 705 24.4. Esperienza di Young... 706 24.5. Coerenza... 712 24.6. Il laser... 716 24.7. La diffrazione... 722 24.8. Diffrazione di Fresnel e di Fraunhofer... 723 24.9. Estensione delle figure di diffrazione nella zona d ombra. Propagazione rettilinea... 725 24.10. Diffrazione di Fraunhofer. Fenditura semplice... 726 24.11. Potere risolutivo di una fenditura rettangolare... 733 24.12. Diffrazione di Fraunhofer con apertura circolare e suo potere risolutivo... 735 24.13. Reticolo di diffrazione... 738 24.14. Reticoli e spettri... 740 24.15. Reticoli tridimensionali. Diffrazione di raggi X... 742 25 Elettroni nei cristalli e processi legati alle loro proprietà nei metalli 25.1. Introduzione... 747 25.2. Statistiche quantistiche... 748 25.3. Funzioni di distribuzione delle statistiche Fermi-Dirac e Bose-Einstein... 751 25.4. Formazione delle bande di livelli energetici consentiti agli elettroni nei cristalli... 754 25.5. Effetto Volta, o del potenziale di contatto. Lavoro di estrazione... 758 25.6. Effetti termoelettrici... 761 25.7. Coppie termoelettriche... 766 25.8. Emissione termica di elettroni... 767 25.9. Effetto fotoelettrico esterno... 769 25.10. Effetto fotoelettrico interno... 771 Appendici AI Calcolo vettoriale AI.1. Sintesi delle regole... 777 AII I sistemi di unità dimisura in elettromagnetismo AII.1. Introduzione... 783 AII.2. Sistema CGS elettrostatico... 784 AII.3. Sistema CGS elettromagnetico... 787 AII.4. Sistema misto o di Gauss... 790 AII.5. Sistema pratico... 791 AII.6. Sistema MKSA e SI... 792 AII.7. Confronto fra dimensioni e unità nei vari sistemi... 795 AII.8. Formule equivalenti nei vari sistemi... 796 AII.9. Sistema Internazionale di Unità... 798 Bibliografia 799 Indice analitico 801
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.