Fisica per la scuola superiore

Matematicamente.it

Fisica

Per Gerardo Troiano e Gloria Rocci

La scuola fisica superiore per la scuola

Seconda superiore

Equilibrio, meccanica, termologia, onde

Edizione: elettromagnetismo, quanti, relatività

Matematicamente.it, seconda edizione

Creative Commons BY-SA

ISBN 9788896354421

Gerardo Troiano, Gloria Rocci

Fisica per la scuola superiore

Seconda edizione

– – –

Equilibrio, meccanica, termologia, onde

– – –

Elettromagnetismo, quanti, relatività

© Matematicamente.it - aprile 2019, seconda edizione

www.matematicamente.it - info@matematicamente.it

ISBN 9788896354421

Questo libro è rilasciato con licenza

Creative Commons BY-SA

–

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Ha collaborato: Antonio Bernardo

Immagine di copertina

Creata dal sito http://www.canva.com/

Icona per esperienze di laboratorio: https://it.freepik.com/foto-vettori-gratuito/affari

Icona video lezioni: http://www.youtube.com

QR-Code generati: https://qrcode.tec-it.com/it

Alcune immagini sono state prese da alcuni siti internet in una prima stesura per un uso personale del libro, non sempre è stato possibile rintracciare la provenienza delle immagini; i proprietari delle immagini, o di altri contenuti, che ritengono di non essere stati citati correttamente sono pregati di mettersi in contatto con l’autore o con l’editore, gerardo.troiano@istruzione.it, per gli interventi che si riterranno necessari; si fa presente che questo libro non ha scopo di lucro.

Gerardo Troiano.

Ulteriori risorse multimediali sono disponibili sul canale YouTube.

A Leonardo e le sue innumerevoli scoperte, che vive nel mondo dei colori con gli occhi di bimbo.

G.T.

Premessa

In questa seconda edizione sono stati corretti alcuni refusi ed apportati piccoli ampliamenti teorici nei diversi capitoli. Il volume è comunque in continua evoluzione e presto verrà ampliato ulteriormente, soprattutto nella parte dei problemi proposti e svolti.

A supporto di questo testo, numerose video lezioni presenti sul canale YouTube personale (https://www.youtube.com/user/gerardotroiano1), molte delle quali registrate direttamente in classe con gli alunni, mentre nella playlist “Problemi svolti FISICA” numerosi problemi affrontati in classe, svolti e commentati.

Già la prima edizione è stata di enorme aiuto nel progettare la didattica, permettendo di sperimentare con successo la metodologia Flipped Classroom (Classe capovolta), potendo fornire materiale in formato digitale, affiancandolo alle video lezioni, in modo da consentire di acquisire gran parte degli contenuti teorici in piena autonomia e liberando così tempo per una didattica collaborativa, partecipata, inclusiva, in cui i discenti sono protagonisti del percorso di insegnamento-apprendimento che prescinde dalla mera trasmissione di contenuti epistemologici della disciplina.

Per alunni con Disturbi Specifici dell’Apprendimento (DSA), il volume si presta particolarmente bene, disponendo di molte video lezioni che consentono di poter vedere ed ascoltare gli argomenti di volta in volta affrontati, in modo da superare quelle difficoltà e consentire un apprendimento attivo ed efficace.

La Fisica è di suo una disciplina che non si può apprendere senza sperimentare, sia in laboratorio che in modo teorico, con i ragionamenti logici, deduttivi, induttivi e filosofici che hanno portato le grandi menti ad ipotizzare teorie come quella Quantistica e della Relatività, inizialmente viste come bizzarre, non intuitive e non supportate dal rigore sperimentale, ma poi col tempo divenute base irrinunciabile di fare Fisica nei tempi odierni. A corredo del volume, numerose applet proposte di esperimenti virtuali, in modo da meglio comprendere gli argomenti di studio e, seppur virtualmente, toccarli con mano.

La Natura è scritta con leggi matematiche e le regole che la compongono sono la Fisica. All’uomo spetta il compito di interpretarle, di capirle.

Aprile 2019, gli autori

Fisica per la scuola superiore 3

Informazioni sul testo

Riquadro informativo

Nelle sezioni di lato si potranno trovare sezioni colorate in cui ci saranno curiosità, approfondimenti, chiarimenti vari. Cerca di leggerle sempre: potrai focalizzare meglio alcuni concetti. Ad esempio, potrà apparire un riquadro di questo tipo.

Senza la notazione scientifica sarebbe assurdo pensare di riportare numeri piccolissimi (0,00000000145) o numeri grandissimi (2„457‟847‟854‟598‟7458) in un’espressione ed eseguire calcoli in questo modo. L’errore di calcolo sarebbe quasi certo!

Quando nel paragrafo è presente questo logo, vi è un video su un quesito proposto in una delle simulazioni proposte dal Ministero. Anche per questi video è disponibile il QR-Code.

Video lezioni

L’argomento per cui è disponibile una video lezione è contrassegnato con il simbolo posto di fianco al titolo del paragrafo.

Cliccando una sola volta sull’immagine, si accederà direttamente al video proposto.

Per la versione cartacea del libro, basterà inquadrare il QR-Code presente di fianco al paragrafo, con una delle applicazioni gratuite presenti nello Store del proprio smartphone, per accedere al contenuto. Si potrà così vedere direttamente la video lezione proposta.

Esperienze di laboratorio

La presenza dell’icona di fianco in una determinata pagina indica che è suggerita una attività laboratoriale, con applet proposte liberamente sul sito https://phet.colorado.edu/it/simulations/category/by-level/high-school.

Cliccando sull’icona si accede alla risorsa.

Laboratorio xx

Descrizione

Per segnalare errori, refusi o proposte di aggiunta di nuovi argomenti, scrivere a gerardo.troiano@istruzione.it.

Indice

1. Introduzione alla fisica 1

1.1 Introduzione alla Fisica 2

1.2 Metodo scientifico sperimentale 2

1.3 Grandezze fisiche fondamentali 3

1.4 Grandezze fisiche derivate 5

1.5 Aree e volumi di figure geometriche note 5

1.6 Densità di massa 6

1.7 Misure 7

1.8 Strumenti di misura 7

1.9 Errori di misura 7

1.10 C.L.I.L. project 8

1.11 Sensibilità di uno strumento 10

1.12 Precisione di uno strumento 11

1.13 Portata o fondo scala 11

1.14 Errore assoluto 11

1.15 Valore medio 11

1.16 Errore relativo 11

1.17 Misura diretta e indiretta 12

1.18 Criteri di arrotondamento 13

1.19 Cifre significative 13

1.20 Notazione scientifica 13

1.21 Richiamo di matematica sulle potenze 14

1.22 Rappresentazione dei dati 15

1.23 Leggi di proporzionalità 15

1.24 Relazione di laboratorio di fisica 17

1.25 Il metodo per impostare e risolvere i problemi di fisica 20

1.26 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 23

1.27 Problemi proposti 25

1.28 In laboratorio 29

1.29 Approfondimento: Galileo Galilei 30

2. Le forze 32

2.1 Le forze 33

2.2 Forze di contatto e forze a distanza 33

2.3 Vincoli e reazioni vincolari 33

2.4 Unità di misura di una forza 33

2.5 Introduzione ai vettori 34

2.6 Composizione di vettori 35

2.7 Prodotto di un vettore per uno scalare 37

2.8 Prodotto scalare di due vettori 38

2.9 Prodotto vettoriale di due vettori 38

2.10 La forza elastica 39

2.11 Le forze d’attrito 40

2.12 C.L.I.L. project 41

2.13 Forza peso e massa 43

2.14 Relazione tra peso e massa 43

2.15 La forza peso sugli altri corpi celesti 44

2.16 Richiami di goniometria e di trigonometria 44

2.17 Relazione fondamentale della goniometria 45

2.18 Tangente e cotangente goniometrica 46

2.19 Trigonometria 47

2.20 Formule goniometriche 49

2.21 Punto materiale e corpo rigido 49

2.22 Scomposizione di una forza 50

2.23 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 51

2.24 Problemi proposti 52

2.25 In laboratorio 53

2.26 Approfondimento: le forze fondamentali 54

L’equilibrio

3. 59

3.1 Equilibrio di un corpo sul piano orizzontale 60

3.2 Momento di una forza rispetto a un punto 61

3.3 Momento di una coppia di forze 62

3.4 Esempio di momento di una forza 63

3.5 Equilibrio del corpo rigido 63

3.6 Confronto tra corpo rigido e punto materiale 64

3.7 Il baricentro 65

3.8 Le macchine semplici 65

3.9 Le leve 66

3.10 La carrucola 67

3.11 La pressione 68

3.12 La pressione del sangue 69

3.13 I fluidi 69

3.14 Esperienza di Pascal 70

3.15 Principio di Pascal 70

3.16 Peso specifico di un corpo 70

3.17 Il torchio idraulico 70

3.18 La legge di Stevin 71

3.19 Pressione idrostatica 72

3.20 Paradosso idrostatico 73

3.21 Principio dei vasi comunicanti 73

3.22 Capillarità 73

3.23 Vasi comunicanti con liquidi diversi 73

3.24 C.L.I.L. project 75

3.25 Principio di Archimede 76

3.26 Corpo immerso in un liquido 77

3.27 Corpo immerso nell’atmosfera (o in un altro gas) 78

3.28 Pressione atmosferica e sua misura 78

3.29 Manometri e barometri 79

3.30 Viscosità di un fluido 79

3.31 Fluido ideale 80

3.32 Concetto di “tubo di flusso” 80

3.33 Legge di Bernoulli 81

3.34 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 83

3.35 Problemi proposti 84

3.36 In laboratorio 88

3.37 Approfondimento: Archimede da Siracusa 89

Il movimento: cinematica e dinamica

4. Il movimento: Cinematica e Dinamica 92

4.1 Sistemi di riferimento 93

4.2 Sistemi di riferimento bidimensionali 93

4.3 Traiettoria 94

4.4 Concetto di velocità 95

4.5 Moto relativo 95

4.6 Velocità media 97

4.7 Cenni sul concetto di limite e derivata di una funzione 98

4.8 Velocità istantanea 98

4.9 Legge oraria del moto 99

4.10 Moto rettilineo uniforme e sua legge oraria 99

4.11 Vettore spostamento e velocità 101

4.12 Accelerazione media e istantanea 101

4.13 Moto rettilineo uniformemente accelerato 102

4.14 L’accelerazione di gravità 103

4.15 Accelerazione e sicurezza 104

4.16 C.L.I.L. project 105

4.17 Moto circolare uniforme 106

4.18 La velocità tangenziale 107

4.19 Velocità angolare 107

4.20 Accelerazione centripeta 108

4.21 Accelerazione tangenziale 108

4.22 Moto armonico 108

4.23 Il pendolo semplice 109

4.24 Moto di un corpo lanciato orizzontalmente 111

4.25 Moto di un corpo lanciato verticalmente 112

4.26 Moto di un corpo lanciato in obliquo 112

4.27 Moto generato da una molla 113

4.28 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 115

4.29 Attrito viscoso del mezzo 115

4.30 Forze di attrito volvente 116

4.31 Problemi proposti 118

4.32 In laboratorio 121

4.33 Approfondimento: Facebook e la fisica 122

Forze e moto: principi della dinamica

5. Forze e moto: Principi della Dinamica 123

5.1 Le cause del moto 124

5.2 I sistemi di riferimento 124

5.3 Primo principio della dinamica o d’inerzia 125

5.4 Secondo principio della dinamica o di Newton 127

5.5 Massa inerziale e massa gravitazionale 128

5.6 Equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale 129

5.7 Terzo principio della dinamica 130

5.8 La gravitazione universale 131

5.9 C.L.I.L. project 133

5.10 Accelerazione di gravità su un pianeta 134

5.11 Le leggi di Keplero 135 3

5.12 Moto di un satellite intorno alla Terra 137

5.13 Campo gravitazionale 140 …………142

5.14 Sistemi di riferimento non inerziali

5.15 Inerzia e forze apparenti 142

5.16 Forza apparente in un ascensore 144

5.17 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 145

5.18 Problemi proposti 147

5.19 In laboratorio 148

5.20 Approfondimento: Keplero e le sue leggi 149

Lavoro ed energia, energia e leggi di conservazione

6. Lavoro ed Energia, energia e leggi di conservazione 156

6.1 Quantità di moto e impulso 157

6.2 Teorema dell’impulso 158

6.3 Sistema isolato 159

6.4 Principio di conservazione della quantità di moto 159

6.5 Il lavoro 165

6.6 C.L.I.L. project 167

6.7 Il lavoro di una forza non costante 168

6.8 La potenza 169

6.9 L’energia 170

6.10 Energia cinetica 170

6.11 Teorema dell’energia cinetica 170

6.12 Energia potenziale gravitazionale 171

6.13 Forza conservativa 171

6.14 Energia potenziale elastica 172

6.15 Energia meccanica 173

6.16 Principio di conservazione dell’energia meccanica 173

6.17 Principio di conservazione con forze non conservative 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

Temperatura e calore

7. Temperatura e calore 181

7.1 Temperatura e calore 182

7.2 Unità di misura del calore 182

7.3 La materia 183

7.4 Termometro 184

7.5 Definizione operativa di temperatura 185

7.6 Scale termiche 185

7.7 Conversioni tra scale termiche 186

7.8 Dilatazione termica 187

7.9 L’anomalia dell’acqua 191

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

7.16 Il calorimetro 199

7.17 Equivalenza tra lavoro e calore 200

7.18 Potere calorifico 201

7.19 I passaggi di stato 202

7.20 Calore latente 203

7.21 Trasmissione del calore 204

7.22 La conservazione di calore 206

7.23 La dissipazione di calore 207

7.24 Il freecooling 207

7.25 Esempio di trasmissione forzata del calore 207

7.26 Esempio di trasmissione naturale del calore 207

7.27 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 208

7.28 Problemi proposti 210

7.29 In laboratorio 214

7.30 Approfondimento: la scala Fahrenheit 215

Trasformazioni termodinamiche

8. Trasformazioni termodinamiche 216

8.1 Sistemi termodinamici 217

8.2 I gas 219

8.3 Calore specifico molare 222

8.4 Equilibrio termodinamico 224

8.5 La legge di Boyle e Mariotte 224

8.6 La legge di Avogadro 225

8.7 Notazione sulle temperature Celsius e Kelvin 225

8.8 Prima legge di Gay-Lussac o di Charles 226

8.9 Seconda legge di Gay-Lussac 227

8.10 Gas ideale o gas perfetto 228

8.11 Equazione di stato dei gas perfetti 228

8.12 C.L.I.L. Project 230

8.13 Teoria cinetica dei gas 231

8.14 Pressione in un gas perfetto 232

8.15 Energia interna di un gas perfetto 233

8.16 Bernoulli e la teoria cinetica dei gas 233

8.17 Trasformazioni adiabatiche 233

8.18 Cicli termodinamici 235

8.19 Macchina termodinamica 235

8.20 Il motore a scoppio e il ciclo Otto 236

8.21 Il rendimento di una macchina termica 237

8.22 Ciclo di Carnot 237

8.23 Teorema di Carnot 239

8.24 Il ciclo frigorifero 239

8.25 Il principio zero della termodinamica 241

8.26 Il primo principio della termodinamica 242

8.27 Secondo principio della termodinamica 242

8.28 Entropia 244

8.29 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 249

8.30 Problemi proposti 251 5

8.31 In laboratorio 252

8.32 Approfondimento: William Thomson Kelvin 253

Le onde

9. Le onde 254

9.1 Cos’è un’onda 255

9.2 Il suono 259

9.3 Caratteristiche di un suono semplice 260

9.4 C.L.I.L. Project 264

9.3 Effetto Doppler 266

9.4 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 269

9.5 Problemi proposti 270

9.6 Approfondimento: i terremoti 273

Luce e ottica

10. Luce e ottica 276

10.1 La natura della luce: onda o particella? 277

10.2 La propagazione della luce 278

10.3 La velocità della luce 280

10.4 Corpi trasparenti, opachi e traslucidi 281

10.5 La riflessione della luce 281

10.6 Principio di Fermat 282

10.7 Principio di Huygens-Fresnel 282

10.8 La rifrazione della luce 283

10.9 Indice di rifrazione 284

10.10 Legge di Snell-Cartesio 284

10.11 La dispersione della luce: i colori 285

10.12 La diffrazione della luce 286

10.13 L’interferenza 287

10.14 Le lenti 289

10.15 Formazione delle immagini 291

10.16 Aberrazioni ottiche 292

10.17 Gli strumenti ottici 293

10.18 Difetti della vista 294

10.19 CLIL Project 295

10.20 Defects of vision 295

10.21 Illusioni ottiche 296

10.22 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 297

10.23 Problemi proposti 298

10.24 In laboratorio 301

10.25 Approfondimento: il telescopio spaziale 302

Elettrostatica

11. Elettrostatica 304

11.1 Elettrizzazione 305

11.2 Conduttori e isolanti 307

11.3 Elettroscopio 307

11.4 Legge di Coulomb 308

11.5 Dipolo elettrico 309

11.6 I materiali dielettrici 310

11.7 Legge di Coulomb generalizzata 310

11.8 Concetto di campo 310

11.9 Flusso di un vettore 314

11.10 Energia potenziale elettrica 319

11.11 Il potenziale elettrico 319

11.12 Teorema di Gauss 316

11.13 Gabbia di Faraday 317

11.14 Applicazioni della gabbia di Faraday 318

11.15 CLIL project 321

11.16 Distribuzione di cariche su un conduttore 322

11.17 Densità superficiale di carica 322

11.18 Campo elettrico generato da un filo carico 323

11.19 Campo elettrico generato da una distribuzione sferica di cariche 325

11.20 I condensatori 326

11.21 La capacità elettrica 327

11.22 Tipi di condensatori 328

11.23 La polarizzazione di un dielettrico 329

11.24 Energia accumulata nei condensatori 331

11.25 Sistemi di condensatori 332

11.26 Moto di una carica in un campo elettrico uniforme 335

11.27 Riassumendo e glossario dei termini incontrati 337

11.28 Problemi proposti 339

11.29 In laboratorio 345

11.30 Approfondimento: Charles Augustin de Coulomb 347

La corrente elettrica

12. La corrente elettrica 349

12.1 La corrente elettrica 350

12.2 Intensità della corrente elettrica 353

12.3 Il circuito elettrico 354

12.4 Amperometro e voltmetro 354

12.5 Il generatore di tensione 355

12.6 La resistenza elettrica 357

12.7 Prima legge di Ohm 358