Matematicamente.it Fisica per la scuola superiore

509 Pages·2012·13.83 MB·Italian

Gerardo Troiano

FISICA PER LA SCUOLA SUPERIORE

equilibrio – meccanica – termologia – onde
elettromagnetismo – quanti – relatività

© Matematicamente.it - luglio 2013
www.matematicamente.it - [email protected]

ISBN 9788896354421

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si riterranno necessari; si fa presente che questo libro non ha scopo di lucro.

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Fisica per la scuola superiore

a Gloria moglie e maestra di vita e a mio
padre da cui ho ereditato la passione per
la matematica e le scienze
2
Fisica per la scuola superiore
Prefazione
T
utte le opere che si rispettino hanno una prefazione e per dare dignità di pubblicazione
“scientifica”, forse abbiamo già esagerato, a questo volume, è giusto che ve ne sia una.
Il tutto nasce dalla volontà manifesta di far abolire definitivamente i canonici libri di testo “a
pagamento” tra i banchi delle nostre classi, non fosse altro per non ascoltare più
l’insostenibile alibi di numerosi alunni circa l’indisponibilità del loro libro di testo per una
qualche recondita ragione, spesso però davvero concreta.
Ma non è solo per questo. La volontà vera è di venire incontro alle esigenze delle famiglie
sempre più strette nella morsa e nelle paure dell’inizio di un altro anno scolastico che li vedrà
tristemente protagonisti di acquisti di libri di testo sempre più esosi.
E’ evidente che questo lavoro è frutto di una rielaborazione (quando la fanno gli alunni la
chiamiamo copiatura!) di contenuti trovati qua e la su Internet, mentre in pochi arditi slanci
pindarici, ho inteso scrivere di pugno considerazioni con la speranza che fossero più chiare di
quelle che ho trovato nella rete. Cercherò di citare, a fine libro, le fonti da cui attingo anche i
singoli testi, anche se preannuncio che molti di questi, sono presi da Wikipedia o comunque
da articoli scritti da altre scuole, che puntualmente citerò.
Chiariamo subito: questo libro non è la fine di un percorso ma solo l’inizio. La possibilità di
ampliarlo con ulteriori problemi svolti e proposti, nonché aggiustamenti ed aggiunte anche al-
le parti teoriche, è il dogma che deve condurci ad un suo miglioramento, in modo che tutti ne
traggano beneficio. In questo contesto di fattivo collaborazionismo (pardon forse era quello
delle spie…) potete segnalare qualunque errore (orrore) che troverete tra queste pagine aiu-
tandoci a trasformarlo in qualcosa di migliore. È un libro aperto in ogni senso, ognuno può
contribuire a scriverlo ed ampliarlo.
Il volume si presenta con tutti gli standard tipografici e di legge pronto per essere stampato
come libro di testo o consultato come un e-book direttamente dal proprio PC o tablet.
Tutti possono collaborare “gratuitamente” a questo progetto contattandomi all’indirizzo
[email protected]

L
esina, marzo 2013 Gerardo Troiano

3
Fisica per la scuola superiore
INDICE
1. Introduzione alla fisica ................................................................................... 15
1.1 Introduzione alla Fisica ........................................................... 16

1.2 Metodo scientifico sperimentale ............................................. 16

1.3 Grandezze fisiche fondamentali ............................................. 17

1.4 Grandezze fisiche derivate ...................................................... 18

1.5 Aree e Volumi di figure geometriche note ............................. 18

1.6 Densità di massa ..................................................................... 19

1.7 Misure ..................................................................................... 21

1.8 Strumenti di misura (video) .................................................... 21

1.9 Errori di misura ....................................................................... 21

1.10 C.L.I.L. PROJECT .................................................................. 22

1.11 Sensibilità di uno strumento ................................................... 24

1.12 Precisione di uno strumento .................................................... 24

1.13 Portata o fondo scala ............................................................... 24

1.14 Errore assoluto ........................................................................ 24

1.15 Valore medio ........................................................................... 24

1.16 Errore relativo ......................................................................... 25

1.17 Misura diretta ed indiretta ....................................................... 25

1.18 Criteri di arrotondamento ....................................................... 26

1.19 Cifre significative ................................................................... 26

1.20 Notazione scientifica ............................................................... 26

1.21 Richiamo di matematica sulle potenze ................................... 27

1.22 Rappresentazione dei dati ....................................................... 28

1.23 Leggi di proporzionalità ......................................................... 28

1.24 Relazione di laboratorio di fisica ............................................ 30

1.25 Il metodo per impostare e risolvere i problemi di fisica ........ 33

1.26 Riassumendo e glossario dei termini incontrati .................... 35

1.27 Problemi proposti .................................................................... 36

1.28 In laboratorio ........................................................................... 40

1.29 Approfondimento: Galileo Galilei .......................................... 41

2. Le Forze ............................................................................................................ 42
2.1 Le forze ................................................................................... 44

2.2 Forze di contatto e forze a distanza ........................................ 44

2.3 Vincoli e Reazioni vincolari ................................................... 44

2.4 Unità di misura di una forza ................................................... 44

2.5 Introduzione ai vettori ............................................................. 45

2.6 Composizione di vettori (video) ............................................. 46

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Fisica per la scuola superiore
2.7 Prodotto di un vettore per uno scalare .................................... 48

2.8 Prodotto scalare di due vettori ................................................ 49

2.9 Prodotto vettoriale di due vettori ............................................ 49

2.10 La Forza Elastica (video) ........................................................ 50

2.11 Le forze d’attrito (video) ........................................................ 51

2.12 C.L.I.L. PROJECT .................................................................. 52

2.13 Forza peso e massa ................................................................. 54

2.14 Relazione tra peso e massa ..................................................... 54

2.15 La forza peso sugli altri corpi celesti ...................................... 55

2.16 Richiami di Goniometria e di Trigonometria (video) ............ 56

2.17 Relazione fondamentale della goniometria ............................ 56

2.18 Tangente e cotangente goniometrica ...................................... 57

2.19 Trigonometria (video) ............................................................. 58

2.20 Formule Goniometriche .......................................................... 60

2.21 Punto materiale e corpo rigido ................................................ 61

2.22 Scomposizione di una forza .................................................... 61

2.23 Riassumendo e glossario dei termini incontrati ..................... 62

2.24 Problemi proposti .................................................................... 63

2.25 In laboratorio ........................................................................... 64

2.26 Approfondimento: Le forze fondamentali .............................. 65

3. L’equilibrio ...................................................................................................... 71
3.1 Equilibrio di un corpo sul piano orizzontale .......................... 72

3.2 Momento di una forza rispetto a un punto .............................. 74

3.3 Momento di una coppia di forze (video) ................................ 74

3.4 Esempio di momento di una forza .......................................... 75

3.5 Equilibrio del corpo rigido (video) ......................................... 76

3.6 Confronto tra corpo rigido e punto materiale ......................... 77

3.7 Il baricentro (video) ................................................................ 77

3.8 Le macchine semplici ............................................................. 78

3.9 Le Leve (video) ....................................................................... 79

3.10 La Carrucola (video) ............................................................... 80

3.11 La pressione ............................................................................ 81

3.12 La pressione del sangue .......................................................... 82

3.13 I fluidi ...................................................................................... 82

3.14 Esperienza di Pascal (video) ................................................... 82

3.15 Principio di Pascal (video) ...................................................... 83

3.16 Peso specifico di un corpo ...................................................... 83

3.17 Il torchio idraulico (video) ...................................................... 83

5
Fisica per la scuola superiore
3.18 La legge di Stevin (video) ....................................................... 84

3.19 Pressione idrostatica (video) ................................................... 85

3.20 Paradosso idrostatico .............................................................. 85

3.21 Principio dei vasi comunicanti (video) ................................... 85

3.22 Capillarità (video) ................................................................... 86

3.23 Vasi comunicanti con liquidi diversi ...................................... 86

3.24 C.L.I.L. PROJECT .................................................................. 87

3.25 Principio di Archimede (video) .............................................. 88

3.26 Corpo immerso in un liquido .................................................. 89

3.27 Corpo immerso nell'atmosfera (o in un altro gas) .................. 90

3.28 Pressione atmosferica e sua misura (video)............................ 90

3.29 Manometri e Barometri ........................................................... 91

3.30 Viscosità di un fluido .............................................................. 91

3.31 Fluido ideale ............................................................................ 92

3.32 Concetto di “tubo di flusso ..................................................... 92

3.33 Legge di Bernoulli .................................................................. 93

3.34 Riassumendo e glossario dei termini incontrati ..................... 94

3.35 Problemi proposti .................................................................... 95

3.36 In laboratorio ........................................................................... 98

3.37 Approfondimento: Archimede da Siracusa ............................ 99

4. Il movimento: Cinematica e Dinamica ........................................................ 102
4.1 Sistemi di riferimento (video) ............................................... 104

4.2 Sistemi di riferimento bidimensionali .................................. 104

4.3 Traiettoria .............................................................................. 106

4.4 Concetto di velocità .............................................................. 106

4.5 Moto relativo ......................................................................... 107

4.6 Velocità media ...................................................................... 109

4.7 Cenni sul concetto di limite e derivata di una funzione ....... 109

4.8 Velocità istantanea ................................................................ 110

4.9 Legge oraria del moto ........................................................... 110

4.10 Moto rettilineo uniforme e sua legge oraria (video) ............. 111

4.11 Vettore spostamento e velocità (video) ................................ 112

4.12 Accelerazione media e istantanea ......................................... 112

4.13 Moto rettilineo uniformemente accelerato ........................... 113

4.14 L'accelerazione di gravità (video)......................................... 114

4.15 Accelerazione e sicurezza ..................................................... 115

4.16 C.L.I.L. PROJECT ................................................................ 116

4.17 Moto circolare uniforme (video) .......................................... 117

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Fisica per la scuola superiore
4.18 La velocità tangenziale ......................................................... 118

4.19 Velocità angolare .................................................................. 118

4.20 Accelerazione centripeta ....................................................... 119

4.21 Accelerazione tangenziale .................................................... 119

4.22 Moto armonico (video1) (video2) ........................................ 119

4.23 Il pendolo semplice (video) .................................................. 120

4.24 Moto di un corpo lanciato orizzontalmente (video) ............. 120

4.25 Moto di un corpo lanciato verticalmente .............................. 122

4.26 Moto di un corpo lanciato in obliquo (video) ....................... 122

4.27 Moto generato da una molla ................................................. 123

4.28 Riassumendo e glossario dei termini incontrati ................... 125

4.29 Problemi proposti .................................................................. 126

4.30 In laboratorio ......................................................................... 128

4.31 Approfondimento: Facebook e la fisica .............................. 129

5. Forze e moto: Principi della Dinamica ........................................................ 131
5.1 Le cause del moto (video) ..................................................... 132

5.2 I sistemi di riferimento .......................................................... 132

5.3 Primo principio della dinamica o d’inerzia (video) .............. 133

5.4 Secondo principio della dinamica o di Newton (video) ....... 134

5.5 Massa inerziale e massa gravitazionale ................................ 135

5.6 Equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale ................. 136

5.7 Terzo principio della dinamica (video) ................................ 136

5.8 La gravitazione universale .................................................... 138

5.9 C.L.I.L. Project ..................................................................... 139

5.10 Accelerazione gravità su un pianeta (video) ........................ 140

5.11 Le leggi di Keplero (video) ................................................... 141

5.12 Moto di un satellite intorno alla Terra .................................. 143

5.13 Campo gravitazionale (video)............................................... 145

5.14 Sistemi di riferimento non inerziali (video) ......................... 146

5.15 Inerzia e forze apparenti (video) ........................................... 146

5.16 Forza apparente in un ascensore ........................................... 148

5.17 Riassumendo e glossario dei termini incontrati ................... 149

5.18 Problemi proposti .................................................................. 150

5.19 In laboratorio ......................................................................... 151

5.20 Approfondimento: Keplero e le sue leggi ............................ 152

6. Lavoro ed Energia, energia e leggi di conservazione ................................. 157
6.1 Quantità di moto e impulso (video) ...................................... 160

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Fisica per la scuola superiore
6.2 Teorema dell’impulso ........................................................... 161

6.3 Sistema isolato ...................................................................... 162

6.4 Principio di conservazione della quantità di moto ............... 163

6.5 Il lavoro (video) .................................................................... 167

6.6 C.L.I.L. Project ..................................................................... 168

6.7 Il lavoro di una forza non costante ....................................... 169

6.8 La potenza ............................................................................. 170

6.9 L’energia ............................................................................... 171

6.10 Energia cinetica (video) ........................................................ 171

6.11 Teorema dell’energia cinetica............................................... 171

6.12 Energia potenziale gravitazionale (video) ............................ 172

6.13 Forza conservativa (video) ................................................... 172

6.14 Energia potenziale elastica (video) ....................................... 172

6.15 Energia meccanica ................................................................ 173

6.16 Principio di conservazione dell’energia meccanica (video) . 173

6.17 Principio di conservazione con forze non conservative (video)

174

6.18 Macchine e loro rendimento ................................................. 175

6.19 Riassumendo e glossario dei termini incontrati ................... 176

6.20 Problemi proposti .................................................................. 177

6.21 In laboratorio ......................................................................... 179

6.22 Approfondimento: Le fonti rinnovabili d’energia ................ 180

7. Temperatura e calore .................................................................................... 182
7.1 Temperatura e calore ........................................................... 184

7.2 Unità di misura del calore ..................................................... 184

7.3 La materia ............................................................................ 184

7.4 Termometro ........................................................................... 186

7.5 Definizione operativa di temperatura ................................... 186

7.6 Scale termiche ....................................................................... 186

7.7 Conversioni tra scale termiche.............................................. 188

7.8 Dilatazione termica ............................................................... 188

7.9 L’anomalia dell’acqua ........................................................... 192

7.10 La dilatazione dei gas .......................................................... 192

7.11 CLIL Project ......................................................................... 193

7.12 Calore specifico .................................................................... 194

7.13 Capacità termica di un corpo ................................................ 196

7.14 Legge fondamentale della calorimetria ................................ 196

7.15 Temperatura di equilibrio ..................................................... 197

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Fisica per la scuola superiore
7.16 Il calorimetro ......................................................................... 199

7.17 Equivalenza tra lavoro e calore ............................................ 200

7.18 Potere calorifico .................................................................... 200

7.19 I passaggi di stato .................................................................. 201

7.20 Calore latente ........................................................................ 203

7.21 Trasmissione del calore ........................................................ 204

7.22 La conservazione di calore ................................................... 206

7.23 La dissipazione di calore ...................................................... 206

7.24 Il freecooling ......................................................................... 206

7.25 Esempio di trasmissione forzata del calore .......................... 206

7.26 Esempio di trasmissione naturale del calore ........................ 206

7.27 Riassumendo e glossario dei termini incontrati .................. 207

7.28 Problemi proposti .................................................................. 208

7.29 In laboratorio ......................................................................... 211

7.30 Approfondimento: la scala Fahrenheit ................................. 212

8. Trasformazioni termodinamiche ................................................................. 214
8.1 Sistemi termodinamici .......................................................... 216

8.2 I gas ....................................................................................... 218

8.3 Calore specifico molare ........................................................ 221

8.4 Equilibrio termodinamico ..................................................... 222

8.5 La legge di Boyle e Mariotte ................................................ 222

8.6 La legge di Avogadro ........................................................... 223

8.7 Notazione sulle temperature Celsius e Kelvin ..................... 223

8.8 Prima legge di Gay-Lussac o di Charles .............................. 224

8.9 Seconda legge di Gay-Lussac ............................................... 225

8.10 Gas ideale o gas perfetto ....................................................... 226

8.11 Equazione di stato dei gas perfetti ........................................ 226

8.12 C.L.I.L. Project ..................................................................... 228

8.13 Teoria cinetica dei gas .......................................................... 229

8.14 Pressione in un gas perfetto .................................................. 229

8.15 Energia interna di un gas perfetto ......................................... 230

8.16 Bernoulli e la teoria cinetica dei gas ..................................... 231

8.17 Trasformazioni adiabatiche .................................................. 231

8.18 Cicli termodinamici .............................................................. 233

8.19 Macchina termodinamica ...................................................... 233

8.20 Il motore a scoppio e il ciclo Otto ........................................ 233

8.21 Il rendimento di una macchina termica ................................ 235

8.22 Ciclo di Carnot ...................................................................... 235

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