Fisica I - Domande e risposte per l'orale

Fisica I

DOMANDE E RISPOSTE PER LA PROVA ORALE

In questo file raccogliamo una serie di possibili domande e risposte in vista dell’esame orale. Il file torna molto utile per

ripetere e toccare tutti i vari concetti fondamentali del programma ma va di certo ampliato con la conoscenza base della

parte scritta e le formule essenziali (oltre ad adeguate nozioni matematiche, algebriche e di misura).

Indice delle Domande

INFORMAZIONI SULL’ESAME ORALE: Esperienza Personale ........................................................................................................2

Informazioni ...............................................................................................................................................................................2

CAPITOLO 0: Concetti Fondamentali ..............................................................................................................................................4

Vettori, versori e Operazioni sui Vettori ...................................................................................................................................4

Sistema Internazionale, Unità di Misura e Conversioni .........................................................................................................4

Principali Unità di Misura e Grandezze Associate ..................................................................................................................6

CAPITOLO 1: Cinematica e Moti Particolari ....................................................................................................................................7

Moto Rettilineo Uniforme (MRU) ..............................................................................................................................................7

Moto Rettilineo Uniformemente Accelerato (MRUA)..............................................................................................................8

Moto Parabolico (MP)..............................................................................................................................................................10

Moto Circolare Uniforme (MCU) e Moto Circolare Uniformemente Accelerato (MCUA) ..................................................12

Accelerazione Centripeta .......................................................................................................................................................14

L'Oscillatore Armonico ...........................................................................................................................................................16

Oscillatore Armonico Smorzato.............................................................................................................................................18

Oscillatore Armonico Forzato e Risonanza ...........................................................................................................................20

Moti Relativi e Trasformazioni Galileiane ..............................................................................................................................22

CAPITOLO 2: Dinamica del Punto, Lavoro ed Energia ..................................................................................................................25

Forze Conservative e Non Conservative................................................................................................................................25

Dimostrazione della Forza Peso.............................................................................................................................................26

Forza Elastica e Relativo Lavoro.............................................................................................................................................27

Teorema delle Forze Vive (o dell’Energia Cinetica) ..............................................................................................................28

Conservazione dell'Energia Meccanica ................................................................................................................................29

Bilancio Energetico .................................................................................................................................................................31

Energia Potenziale Elastica ....................................................................................................................................................32

Gravitazione Universale e Leggi di Keplero ...........................................................................................................................33

CAPITOLO 3: Dinamica dei Sistemi e dei Corpi Rigidi ..................................................................................................................36

Principi della Dinamica, Sistemi Inerziali e Seconda Legge di Newton ..............................................................................36

Impulso e Teorema dell'Impulso............................................................................................................................................40

Conservazione della Quantità di Moto ..................................................................................................................................41

Classificazione e Dinamica degli Urti ....................................................................................................................................42

Momento Torcente e Momento Angolare .............................................................................................................................44

Momento di Inerzia..................................................................................................................................................................45

Energia Cinetica Rotazionale .................................................................................................................................................47

Condizioni di Equilibrio Statico .............................................................................................................................................49

Centro di Massa (CdM) e Prima Equazione Cardinale della Dinamica ...............................................................................51

Rotolamento Puro e Condizione di Non-Slittamento ...........................................................................................................53

CAPITOLO 4: Termodinamica, Gas e Calorimetria .......................................................................................................................56

Gas Perfetti e Primo Principio.................................................................................................................................................56

Lavoro in Termodinamica e Trasformazioni Cicliche ...........................................................................................................58

Capacità Termiche e Relazione di Mayer ..............................................................................................................................60

Calorimetria e Scambi Termici...............................................................................................................................................61

Calore Latente .........................................................................................................................................................................63

Secondo Principio della Termodinamica ..............................................................................................................................65

Ciclo di Carnot.........................................................................................................................................................................67

Teorema di Clausius ed Entropia ...........................................................................................................................................69

Legenda:

■ : Argomenti Fondamentali (Necessari per comprendere tutto il resto)

■ : Argomenti Consigliati, Tipici e Ricorrenti (Più richiesti)

■ : Argomenti Extra ed Approfondimenti (Meno richiesti)

INFORMAZIONI SULL’ESAME ORALE: Esperienza Personale

Informazioni

Per esperienza personale, è stato difficile ottenere informazioni chiare circa l’esame orale di Fisica I dagli altri ragazzi.

Per questa ragione elenco qui alcuni concetti utili da tenere a mente:

- Per iniziare, stai tranquillo! L’ansia va bene per un po’ di adrenalina ma.. fino a un certo punto! Mantenere la calma agli

esami orali è mooolto importante! E poi, la Prof. Maria Penelope De Santo e il Prof. Alfonso sono molto tranquilli e

tendono a mettere lo studente a suo agio durante il colloquio. Non aver paura di sbagliare, se dovessi bloccarti in qualche

passaggio i professori cercheranno di guidarti per trovare la soluzione!

- Dopo aver svolto l’esame scritto non perdere tempo. Invia subito la traccia svolta all’ IA per capire lo svolgimento ed

individuare eventuali errori fatti durante l’esame. È molto importante perché ti da la possibilità di sapere in anticipo cosa

approfondire e, ogni esame orale, inizia con la visione del proprio scritto. I professori invitano lo studente a capire i propri

errori ed eventualmente trovare soluzione e svolgimento. Non preoccuparti dei numeri, vogliono sapere con che formule

andrebbe sviluppata quella parte e quali criteri vi siano dietro.

- Dopo aver visionato il compito e risposto allo svolgimento mancante o errato, saranno poste 3 domande allo studente.

Una per macro-argomento. (es. Cinematica, Dinamica, Termodinamica).

- La difficoltà delle domande, viaggia insieme al voto dello Scritto. Su voti come 25+ le domande si concentrano anche su

argomenti più complessi come il centro di massa o il moto roto-traslatorio. Se hai preso un voto alto potrebbe essere una

buona mossa guardare attentamente anche queste parti. Se hai preso un voto più basso concentrati su tutto il resto e dai

uno sguardo rapido a questi argomenti.

- Il consiglio sulla risposta alle domande è di partire oralmente da eventuali enunciati, concetti e spiegazioni per poi

passare a scrivere eventuali formule e se richiesto, anche le dimostrazioni (su quelle i professori tendono ad aiutare molto

in caso di eventuali blocchi dovuti ad ansia o confusione). Inoltre, potrebbe essere buona cosa collegarsi, solo dopo aver

risposto completamente alla domanda, ad eventuali argomento annessi. (es. Domanda sulla trasformazione Isoterma?

Spieghiamo anche qualcosa sulle altre!).

- Le domande a volte partono generiche e poi vengono approfondite durante il colloqui. Altre volte si parte direttamente

dal dettaglio. In quest’ultimo caso consiglio di rispondere comunque introducendo la risposta a partire dal macro-

argomento. (Es. L’accelerazione centripeta nel MCU? Beh, spieghiamo cosa sia un MCU intanto!).

- È molto importante leggere e comprendere le dimostrazioni. Ma principalmente a loro interessa capire se ragionate sul

modo in cui vengono applicati fisicamente i concetti, le direzioni, i versi etc.

- Tra gli argomenti più richiesti abbiamo:

+ Moto Parabolico con cenni su Moto Rettilineo Uniforme e Moto Rettilineo Uniformemente Accelerato.

+ Moto Circolare Uniforme con cenni su Moto Circolare Uniformemente Accelerato, spostamento, velocità e

accelerazione angolare.

+ Moto Armonico meno richiesto ma.. a me l’hanno chiesto!

+ Forza Elastica, Forza Peso, Forza Normale, Forza Attrito, Tensione (poco richiesta) e Forze in generale.

+ Forze Conservative e Forze Non Conservative.

+ Momento Torcente e legami con Momento Angolare e Momento d’Inerzia.

+ Energia Cinetica ed Energia Potenziale con relativo Bilancio Energetico, Conservazione di Energia Meccanica e

Conservazione di Energia Cinetica (Teorema delle Forze Vive).

+ Conservazione della Quantità di Moto con relativi esempi e dettagli.

+ Trasformazioni Termodinamiche con tutti i dettagli del caso e in certi casi cenni sul Ciclo di Carnot.

+ Calorimetria Generale non molto richiesta ma ad alcuni (tra cui me) si con anche formula generale del calore e Calore

Latente.

+ Centro di Massa e Moti Roto-Traslatori in modo approfondito solo ai voti più alti dello scritto.

Buono Studio!

CAPITOLO 0: Concetti Fondamentali

Vettori, versori e Operazioni sui Vettori

Un vettore è una grandezza fisica caratterizzata da modulo, direzione e verso. Esempi di grandezze vettoriali sono lo

spostamento, la velocità, l'accelerazione e la forza.

Una grandezza scalare, invece, è completamente descritta da un valore numerico e dalla relativa unità di misura, come

massa, tempo, temperatura ed energia.

Un versore è un vettore di modulo unitario utilizzato per indicare una determinata direzione. In un sistema cartesiano

tridimensionale si utilizzano generalmente: , , rispettivamente lungo gli assi , e .

푖̂ 푗̂ 푘̂ 푥 푦 푧

Un vettore può essere scomposto lungo gli assi cartesiani. Ad esempio, nel piano: 퐴

⃗ = 퐴 푖̂ + 퐴 푗̂

푥 푦

e in tre dimensioni: 퐴

⃗ = 퐴 푖̂ + 퐴 푗̂ + 퐴 푘̂

푧

푥 푦

2푥 2푦 2푧

Il modulo del vettore è: |퐴

⃗ | = 퐴 + 퐴 + 퐴

Operazioni principali

- Somma di Vettori: La somma di due vettori si effettua graficamente con la regola del parallelogramma oppure

sommando le componenti corrispondenti: 퐴

⃗ +퐵

⃗ = (퐴 + 퐵 )푖̂ + (퐴 + 퐵 )푗̂

푥 푥 푦 푦

- Sottrazione di Vettori: La sottrazione può essere vista come una somma con il vettore opposto: 퐴

⃗ −퐵

⃗ =퐴

⃗ +(−퐵

⃗)

- Prodotto di un Vettore per uno Scalare: Moltiplicando un vettore per uno scalare si modifica il suo modulo e, se lo

scalare è negativo, anche il verso: 휆퐴

⃗

- Prodotto Scalare: Il prodotto scalare tra due vettori restituisce uno scalare: 퐴

⃗ ⋅퐵

⃗ = 퐴퐵 cos 휃

In termini di componenti: 퐴

⃗ ⋅퐵

⃗ = 퐴 퐵 + 퐴 퐵 + 퐴 퐵

푧 푧

푥 푥 푦 푦

È utilizzato, ad esempio, nel calcolo del lavoro di una forza: 푊 = 퐹

⃗ ⋅ 푠⃗

- Prodotto Vettoriale: Il prodotto vettoriale tra due vettori restituisce un vettore perpendicolare al piano individuato dai

due vettori: dove è il versore perpendicolare al piano.

퐴

⃗ ×퐵

⃗ = 퐴퐵 sin 휃 ,푛̂ 푛̂

Il verso è determinato dalla regola della mano destra.

Sistema Internazionale, Unità di Misura e Conversioni

Il Sistema Internazionale delle unità di misura (SI) è il sistema di riferimento utilizzato per definire in modo uniforme le

unità di misura delle grandezze fisiche.

Le sette grandezze fondamentali del SI sono:

Grandezza Unità SI Simbolo

Lunghezza metro m

Massa chilogrammo kg

Tempo secondo s

Corrente elettrica ampere A

Temperatura termodinamica kelvin K

Quantità di sostanza mole mol

Intensità luminosa candela cd

Le altre grandezze fisiche sono grandezze derivate e le loro unità vengono ottenute combinando le unità fondamentali.

Prefissi e conversioni

I principali prefissi decimali sono:

Prefisso Simbolo Fattore

3

kilo k 10 2

etto h 10 1

deca da 10 0

unità — 10

− 1

deci d 10 − 2

centi c 10 − 3

milli m 10 − 6

micro 휇 10 − 9

nano n 10

Per convertire un valore verso un'unità più piccola, si moltiplica per il relativo fattore; verso un'unità più grande, si divide.

Esempio: Conversione della Massa

Partendo da :

1,푔

Conversione Calcolo Risultato

1,푔→푑푔 1 × 10 10,푑푔

1,푔→푐푔 1 × 100 100,푐푔

1,푔→푚푔 1 × 1000 1000,푚푔

1,푔→푑푎푔 1:10 0,1,푑푎푔

1,푔→ℎ푔 1:100 0,01,ℎ푔

1,푔→푘푔 1:1000 0,001,푘푔

La stessa logica si applica alle altre grandezze che utilizzano prefissi decimali.

CONVERSIONI DI ESEMPIO

- Lunghezza: 1,푚 = 100,푐푚

1,푚 = 1000,푚푚

1,푘푚 = 1000,푚

- Tempo: 1,푚푖푛 = 60,푠

1,ℎ = 60,푚푖푛 = 3600,푠

Per il tempo non si utilizzano quindi semplicemente i fattori decimali del sistema metrico.

- Volume: 3

1,퐿 = 1,푑푚 3

1,푚퐿 = 1,푐푚

3

1,푚 = 1000,퐿

Quando le unità sono elevate al quadrato o al cubo, anche il fattore di conversione deve essere elevato alla stessa

potenza. 2 2 3 3

Ad esempio: ma: e:

1,푚 = 100,푐푚 1,푚 = 10000,푐푚 1,푚 = 1000000,푐푚

Principali Unità di Misura e Grandezze Associate

Grandezza fisica Unità di misura Simbolo

Lunghezza metro m

Massa chilogrammo kg

Tempo secondo s

Temperatura kelvin K

Quantità di sostanza mole mol

Corrente elettrica ampere A

Intensità luminosa candela cd

2

Area metro quadrato 푚 3

Volume metro cubo 푚

Velocità metro al secondo 푚/푠

2

Accelerazione metro al secondo quadrato 푚 / 푠

Forza newton N

Peso newton N

Lavoro joule J

Energia joule J

Energia cinetica joule J

Energia potenziale joule J

Calore joule J

Potenza watt W

Pressione pascal Pa

Quantità di moto chilogrammo metro al secondo 푘푔,푚 / 푠

Impulso newton secondo 푁,푠

Frequenza hertz Hz

Periodo secondo s

Velocità angolare radiante al secondo 푟푎푑 / 푠

2

Accelerazione angolare radiante al secondo quadrato 푟푎푑 / 푠

Momento di una forza newton metro 푁,푚

Costante elastica newton al metro 푁/푚

Calore specifico joule per chilogrammo kelvin 퐽 / (푘푔,퐾)

Capacità termica joule per kelvin 퐽/퐾

Calore latente joule per chilogrammo 퐽 / 푘푔

Entropia joule per kelvin 퐽/퐾 3

Densità chilogrammo per metro cubo 푘푔 / 푚

2 2

Costante gravitazionale newton metro quadrato per chilogrammo quadrato 푁,푚 / 푘푔

Alcune equivalenze fondamentali 2

Il newton è l'unità SI della forza: 1,푁 = 1,푘푔,푚 / 푠

Il joule è l'unità SI di lavoro ed energia: 1,퐽 = 1,푁,푚

2 2

quindi: 1,퐽 = 1,푘푔,푚 / 푠

Il watt è l'unità SI della potenza: 1,푊 = 1,퐽 / 푠 2

Il pascal è l'unità SI della pressione: 1,푃푎 = 1,푁 / 푚

L'hertz è l'unità SI d