Liceo Scientifico G.B.Morgagni Roma PROGRAMMA DI FISICA - Classe 5 F Anno Scolastico 2014-2015 Prof.ssa Sandra Amatiste FISICA CLASSICA Elementi di base dei circuiti in corrente continua Corrente elettrica continua: definizione di intensità di corrente, corrente nei conduttori; forza elettromotrice e generatori ideali di tensione continua. Le leggi di Ohm. Potenza elettrica dissipata nei conduttori (effetto Joule). Circuiti con resistenze : resistenze in serie e in parallelo: connessioni di base con due resistenze, e concetto di resistenza equivalente. La resistenza equivalente di un generatore di forza elettromotrice. Le leggi di Kirchhoff. La corrente elettrica nella materia Un semplice modello microscopico per la conduzione nei metalli: forze agenti sugli elettroni di conduzione, velocità di deriva e sua connessione con la corrente elettrica,i materiali dielettrici. Circuito RC: la carica e la scarica di un condensatore, analisi fisica dei grafici e significato della costante di tempo di un circuito RC. Considerazioni energetiche sulla carica e scarica di un condensatore. Analisi della carica e della scarica di un condensatore in un circuito RC con il modello delle equazioni differenziali lineare a variabili separabili. Il campo magnetico Definizione di campo magnetico; definizione operativa del vettore B e delle linee di campo utilizzando un ago magnetico di prova, spettri magnetici generati da magneti permanenti e linee di campo, l'intensità del campo magnetico. La forza di Lorentz: enunciato della legge e regola operativa della mano destra, forza magnetica su una carica in moto relativo rispetto al campo. Moto di particelle cariche in un campo magnetico: moto uniforme, moto circolare, moto a elica. Forze e momenti agenti su conduttori percorsi da corrente: forza su filo rettilineo percorso da corrente, momento torcente di una spira, momenti magnetici di spire e bobine. Correnti elettriche e campi magnetici: campo magnetico generato da un filo percorso da corrente, forze magnetiche tra fili percorsi da corrente, campi magnetici generati da spire e bobine percorse L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 1 -
da corrente, campo magnetico generato da un solenoide. Circuitazione e flusso del campo magnetico:la circuitazione del campo magnetico e il teorema di Ampère; il flusso del campo magnetico e il teorema di Gauss per il campo magnetico. Le proprietà magnetiche della materia (cenni). L induzione elettromagnetica I fenomeni dell'induzione elettromagnetica: variazione nel tempo del campo magnetico, moto relativo tra circuito indotto e circuito induttore, variazioni di orientazione o di area di circuito indotto. Forza elettromotrice indotta. Legge dell'induzione di Faraday Neuman - Lenz: linee di campo concatenate a un circuito, variazione del flusso di campo magnetico, verso della forza elettromotrice indotta, f.e.m cinetica; Lenz e la conservazione dell'energia; le correnti di Foucault. Autoinduzione e induttanza: forza controelettromotrice di un induttore; coefficiente di autoinduzione o induttanza; induttanza di un solenoide. Circuito RL alimentato in corrente continua: analisi del grafico della corrente in funzione del tempo a partire dal collegamento del circuito con il generatore, la costante di tempo; modellizzazione del fenomeno con l'equazione differenziale lineare a variabili separabili. Energia immagazzinata in un induttore. Onde Elettromagnetiche Le equazioni di Maxwell nel caso di campi non variabili nel tempo: flusso di campo elettrico e di campo magnetico, circuitazione di E e circuitazionedi B. Le Equazioni di Maxwell nel caso di campi variabili nel tempo: considerazioni sul campo elettrico indotto e generalizzazioni della terza equazione di M; l'asimmetria tra terza e quarta equazione di M, la legge di Ampère- Maxwell e la corrente di spostamento. Teoria dell onda elettromagnetica: caratteristica dell'onda e.m., la generazione dell'onda a partire da un campo E variabile, e la propagazione delle onde elettromagnetiche e la natura elettromagnetica della luce. Lo spettro elettromagnetico: onde radio, microonde, radiazioni infrarosse, radiazione visibile, luce ultravioletta, raggi X, raggi gamma. Energia trasportata da un onda e.m. e sua quantità di moto (cenni). FISICA DEL NOVECENTO Relatività ristretta - fondamenti I postulati di Einstein e le loro conseguenze: la scomparsa del sistema di riferimento privilegiato o assoluto, l'invarianza della velocità della luce e la perdita della simultaneità degli eventi. La dilatazione dei tempi: l orologio a luce, il fattore di dilatazione e la sua dipendenza dal rapporto L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 2 -
v/c, l intervallo di tempo proprio. La contrazione delle lunghezze. Le trasformazioni di Lorentz (senza dimostrazione). La composizione delle velocità (senza dimostrazione). La verifica sperimentale della dilatazione del tempo e della contrazione delle lunghezze attraverso la misura della vita media dei muoni in volo. La quantità di moto relativistica e l esistenza della velocità limite. L energia totale di un corpo e l equivalenza massa-energia. Particelle a massa nulla. La nascita della teoria dei quanti Il corpo nero: le caratteristiche dello spettro di radiazione, la legge di Stefan Boltzmann e la legge dello spostamento di Wien; l ipotesi di Plank dell energia quantizzata. De Broglie e il dualismo onda corpuscolo. Il principio di indeterminazione di Heisenberg. L'effetto fotoelettrico: descrizione dell'esperimento e caratteristiche dei risultati sperimentali; risultati non coerenti con la fisica classica; interpretazione di Einstein; verifiche sperimentali di Millikan; lo spettro continuo dei raggi X come ulteriore conferma dell'esistenza del fotone. Effetto Compton: risultati sperimentali e interpretazione quantistica dell'effetto; la quantità di moto del fotone. Il modello dell atomo Primi modelli atomici. Thomson e Rutherford. Lo spettro dell atomo di idrogeno: le serie di Lyman, Balmer, e Paschen. Il modello di Bohr dell atomo di idrogeno: le ipotesi del modello atomico di Bohr, le orbite e i livelli energetici dell'atomo di idrogeno; i diagrammi dei livelli energetici. L esperimento di Franck e Hertz. Meccanica quantistica Il dualismo onda corpuscolo della luce: 'esperimento delle due fenditure con singolo fotone. Il dualismo onda corpuscolo della materia: l'ipotesi di De Broglie e la sua spiegazione della regola di quantizzazione di Bohr; la diffrazione di particelle, dagli esperimenti di Davisson e Germer sulla diffrazione di elettroni (1927) alla diffrazione delle molecole di fullerene (1999), esperimento delle due fenditure con singolo neutrone. Il principio di indeterminazione di Heisenberg: il problema della misurazione (spiegazione da Gamow); derivazione elementare del principio di indeterminazione per le variabili posizione e quantità di moto. I concetti fondamentali della meccanica quantistica (cenni): stato di un sistema, sua evoluzione dinamica e effetti di una misurazione. L'atomo quantistico: stati stazionari dell'atomo; lo spin e il principio di esclusione di Pauli; la struttura a shell dell'atomo quantistico. Emissione di luce da parte degli atomi: emissione spontanea ed emissione stimolata; il laser. L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 3 -
Fisica nucleare Il nucleo atomico: numero atomico e numero di massa, gli isotopi. La stabilità dei nuclei: la forza nucleare, l'energia di legame e il difetto di massa, l'energia nucleare per nucleone, fissione, fusione. Le caratteristiche della radioattività: la legge del decadimento radioattivo, attività di un campione e tempo di dimezzamento. Decadimenti radioattivi: decadimento alfa, decadimento beta, decadimento gamma. Roma, 4 giugno 2015 L insegnante Sandra Amatiste gli studenti Bibliografia Romeni C., Fisica e realtà.blu. Campo elettrico e magnetico, Bologna, Zanichelli, 2012 Romeni C., Fisica e realtà.blu. Induzione e onde elettromagnetiche. Relatività e quanti, Bologna, Zanichelli, 2012 Gamow G. Trent'anni che sconvolsero la fisica. La storia della teoria dei quanti, Bologna, Zanichelli,1966 Einstein A., Infeld L., L'evoluzione della fisica. Dai concetti iniziali alla relatività ai quanti, Torino, Boringhieri, 1965 Filmati : 1- La dilatazione del tempo, 2- La velocità limite, 3- I fotoni, 4- L'interferenza dei fotoni, 5- L'esperimento di Franck e Hertz, da La Fisica secondo il PSSC. 25 film del Physical Science Study Committee, Bologna, Zanichelli. L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 4 -
Liceo Scientifico G.B.Morgagni Roma Anno Scolastico 2014-2015 NOTE sullo SVOLGIMENTO del PROGRAMMA di FISICA Classe 5 F Elementi di base dei circuiti in corrente continua Questo primo tema e così anche il seguente, sono stati trattati a inizio d'anno, dedicando solo il tempo necessario all'acquisizione dei concetti indispensabili alla comprensione degli argomenti del programma successivo. Sono stati forniti i concetti fondamentali per la comprensione di schemi circuitali semplici, per poter trattare le configurazioni RC, RL e alcuni schemi presentati negli esercizi applicativi nelle sezioni successive del programma. Si è trattato prevalentemente il concetto di elemento che dissipa energia e di elemento che la fornisce (forza elettromotrice), le leggi di Kirchoff sono state presentate come formulazione alternativa del principio di conservazione dell'energia, l'analisi e la risoluzione di schemi circuitali si è limitata semplici configurazioni, contenenti due o al massimo tre resistenze, escludendo configurazioni del tipo Ponte di Wheatstone o configurazioni stellatriangolo. La corrente elettrica nella materia Si è fornito un modello semplificato per l'interpretazione microscopica della corrente elettrica, (forza elettrica e forza dissipativa derivante dall'interazione con gli atomi del reticolo)per superare l'analogia con i fluidi che viene normalmente utilizzata nei corsi elementari. Non si è trattata la corrente nei liquidi e nei gas. Il circuito RC, alimentato in continua, è stato trattato da un punto di vista sperimentale, privilegiando in un primo tempo l'analisi dei grafici della carica e della scarica del condensatore e, solo a fine anno, completando l'analisi con l'uso dell'equazione differenziale. Il campo magnetico La trattazione ha seguito piuttosto fedelmente il libro di testo. Si è focalizzata l'attenzione sulla forza di Lorentz e tutte le espressioni macroscopiche di tale forza (forza su un filo percorso da corrente, tra fili ecc) sono state ricondotte ad essa, cercando di superare la visione frammentaria che viene dalla presentazione delle leggi (empiriche) del magnetismo così come sono state enunciate prima della spiegazione microscopica. Il flusso e la circuitazione del campo magnetico sono stati occasione per riprendere la trattazione del flusso e della circuitazione del campo elettrico trattati nell'anno scolastico precedente. Le applicazioni della forza di Lorentz, quali lo spettrometro di massa o il discriminatore di velocità sono state trattate a livello di esercizio applicativo. Le proprietà magnetiche della materia sono state trattate a un livello generale L induzione elettromagnetica L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 5 -
E' uno degli argomenti centrali del programma del quinto anno, al quale è stata dedicata una congrua quantità di tempo, analizzando soprattutto le questioni legate alla variazione del flusso e alla risposta del circuito indotto in termini di retroazione negativa (legge di Lenz); in alcuni casi, per consentire una corretta identificazione del verso della corrente indotta, si è suggerito di schematizzare il circuito in cui scorre la corrente indotta come un magnete che si oppone alla variazione della corrente. A livello applicativo, per studiare le trasformazioni di lavoro meccanico in energia elettrica, si è effettuata l'analisi della f.e.m. e dell energia dissipata in un circuito costituito da una guida a U e da una sbarretta conduttrice mobile in un campo magnetico. Nella trattazione dell'autoinduzione non si è dato peso alla derivazione algebrica del coefficiente di autoinduzione. Il circuito RL, alimentato in ingresso con un segnale a gradino, è stato introdotto da un punto di vista sperimentale, privilegiando in un primo tempo l'analisi dei grafici della carica e della scarica del condensatore, e, solo a fine anno, completando l'analisi con l'uso dell'equazione differenziale. Come applicazione è stato esaminato per grandi linee il generatore elettrico per la produzione di alternata. Non sono stati trattati i circuiti in corrente alternata, coerentemente con la scelta fatta a livello di dipartimento in fase di programmazione. Onde Elettromagnetiche Le Equazioni di Maxwell hanno presentato qualche difficoltà di interpretazione, è stato soprattutto difficile dare concretezza ai concetti di circuitazione del campo e di corrente di spostamento. Si è fatto ricorso a modellini semplificati, non potendo ovviamente ricorrere all'analisi vettoriale. Si è tralasciato l'argomento della polarizzazione dell'onda elettromagnetica, passando direttamente alla descrizione dello spettro elettromagnetico. Relatività ristretta fondamenti In questa sezione del programma è stata privilegiata la discussione sui postulati di Einstein e sulle loro più dirette conseguenze: la dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze, ampliando la trattazione del libro con letture dal testo di Einstein - Infeld (vedi Bibliografia) e analizzando due esperimenti cruciali, così come riportati nei materiali video della Fisica del PSSC : La dilatazione del tempo e La velocità limite (vedi Bibl.). Le Trasformazioni di Loretz, le formule per la composizione della velocità, così come le formule della quantità di moto, della massa e dell'energia relativistiche sono state studiate senza dimostrazione. La nascita della teoria dei quanti Questa parte del programma, che apre una sezione centrale sia per la sua portata la concettuale, che per le implicazioni culturali che ne sono derivate, è stata trattata arricchendo la presentazione del libro con numerose integrazioni, tratte dal testo di riferimento di Gamow I trent'anni che sconvolsero la fisica, in particolare dal capitolo 1 e da alcuni paragrafi di un testo scolastico non più in commercio, forniti in fotocopia. L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 6 -
Il modello dell atomo Dopo una brevissima carrellata sui primi modelli atomici, ci si è concentrati sull'atomo di Bohr, in particolare sulle ipotesi di quantizzazione, che riescono sorprendentemente a ricavare, per via alternativa, risultati relativi agli spettri atomici. Il problema dello scambio di energia per quanti è stato approfondito con lo studio dell'esperimento di Franck e Hertz, esaminato nella versione proposta dall'omonimo filmato del PSSC. Meccanica quantistica La trattazione, peraltro alquanto estesa, del libro, si è presentata in alcune parti di difficile comprensione. Per questo motivo, si è affiancata al libro di testo la parte del capitolo del libro di Gamow relativa alla presentazione di un esperimento pensato per la spiegazione del principio di indeterminazione. Fisica nucleare Questo ultimo tema è stato centrato soprattutto sulla radioattività, escludendo, per motivi di tempo, i problemi di radioprotezione e gli usi pacifici dell'energia nucleare. Alcuni studenti hanno arricchito le loro conoscenze con letture tratte dal libro di Gamow (vedi Bibl). Sandra Amatiste L.S. G.B. Morgagni - Roma FISICA Classe 5F a.s. 2014-2015 - 7 -