Fisica applicata (dalla cinetica ai raggi X)

FISICA

GRANDEZZE FISICHE

 pag. 2

TEORIA DEGLI ERRORI

 pag. 3

MECCANICA

 pag. 4

Cinematica pag. 4-5

o Dinamica pag. 5 -

o 7

Statica

o pag. 7 -8

TERMODINAMICA

 pag. 9

Temperatura

o pag. 9 -10

Calore e trasporto

o pag. 11-13

1° Principio pag. 16

o -17

2° principio

o pag. 18

Metabolismo e bilancio energetico

o pag. 19-20

I FLUIDI pag. 21

 Pascal

o pag. 22 -23

Archimede pag. 23

o Stevino pag. 24

o Eq. Continuità – Bernoulli

o pag. 25 -26

Regime turbolento e normale

o pag. 27

Sistema circolatorio

o pag. 27-28

ELETTRICITA’

 pag.30

Carica elettrica pag. 30

o Forza di Coulomb pag. 31

o Campo elettrico pag. 31

o -32 Pag. 1

Energia potenziale elettrica

o pag. 33

Capacità elettrica e condensatori

o pag. 34 - 36

Corrente elettrica

o pag. 38 -39

Legge di Ohm

o pag. 40

Effetto Joule

o pag. 41

Stimolatore cardiaco

o pag. 43 -44

Rischi dell’elettricità

o pag. 45

FISICA MEDICA pag. 46

 Radiobiologia

o pag. 46-49

Modello di Bohr e decadimenti

o pag. 50-52

Medicina nucleare

o pag. 53 -56

MAGNETISMO pag. 57

 Campo magnetico

o pag. 57 - 60

Momento magnetico

o pag. 61 -62

Flusso del campo magnetico

o pag. 62

Forza di Lorentz pag. 63

o

ONDE ELETTROMAGNETICHE

 pag. 63-65

OTTICA GEOMETRICA

 pag. 65-66

Le grandezze fisiche

Misurare una grandezza significa paragonarla a grandezze di riferimento, prese

come unitarie. Una misura è un numero associato a una unità di misura.

Distinguiamo:

Misura diretta se il valore della sua grandezza è determinato leggendo il

 valore direttamente sullo strumento utilizzato

Misura indiretta

 se viene stimato attraverso il calcolo con un’espressione

matematica Pag. 2

Nel definire le unità di misura alcune sono state prese come fondamentali:

Grandezze scalari: per individuarle si ricorre solo ad un numero (es. tempo,

temperatura, massa)

Grandezza vettoriali: caratterizzate da un modulo, direzione e verso

vettore

(spostamento, velocità, accelerazione). Si definisce una qualsiasi

grandezza rappresentabile da un segmento che si dice orientato su retta, ha

degli estremi definiti assegnati con un ordine (segmento AB).

vettore applicato

Si dice quel vettore a cui viene esplicitato un punto di

partenza detto punto di applicazione.

TEORIA DEGLI ERRORI

Ogni misura è affetta da errore, nel senso che se

ripetiamo più volte la misurazione di una

grandezza troviamo risultati diversi. L’errore è la

differenza tra il valore ottenuto in una singola

misura ed il valore vero della grandezza da

misura. Distinguiamo:

Errori sistematici sono legati alla precisione della taratura dello strumento

 utilizzato o legati al metodo di misura stesso. L’entità di errore è limitabile

Pag. 3

confrontandola con quella effettuata con uno strumento di controllo,

calibrato con maggiore precisione.

Errori accidentali ci riferiamo a quei fattori che non sono identificabili

 immediatamente e limitano la precisione della nostra misura.

Per la loro natura casuale non agiscono in un unico senso ma alterano la

misura dando risultato in eccesso o difetto rispetto alla misura effettiva. Ci

accorgiamo della loro presenza quando effettuiamo più volte la misura di

una stesa grandezza. MECCANICA

1. Cinematica (studio del moto a prescindere dalle sue cause)

2. Dinamica (studio del moto a partire dalle cause)

3. Statica (assenza di moto)

In generale definiamo corpo una qualsiasi porzione di materia, dotato di

massa m (quantità di materia di un corpo Kg). La densità p è il rapporto tra

massa e volume (kg/m ).

3 Pag. 4

Trattiamo i corpi come punti materiali che non possono subire deformazioni e

sono molto piccoli rispetto al sistema di riferimento utilizzato.

1. Cinematica

Si definisce

moto

rettilineo uniforme quel moto in cui l’accelerazione a è nulla e la velocità è

costante.

La legge del moto è: X= X + V t

x

0

Nel moto uniformemente accelerato abbiamo che l’accelerazione a è

costante. bidimensionale,

Parlando del moto del proiettile si può parlare di moto nel

senso che avremo sull’asse x un tipo di moto e sull’asse y un altro tipo.

Sull’asse y il proiettile è soggetto all’accelerazione di gravità (g = 9,81m /s);< e

quindi si muove di moto uniformemente accelerato; sull’asse x il proiettile si

Pag. 5

muove di moto rettilineo uniforme a v costante il risultato finale è una



parabola (il vettore velocità è la risultante dalla regola del parallelogramma,

somma vettoriale V della componente V e V ).

0 0x oy

Definiamo gittata il percorso del proiettile lungo l’asse x.

2. Dinamica

I PRINICPIO (P. Inerzia): un corpo su cui non agiscono forze o la risultante delle

forze agenti sia nulla, permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo

quantità di moto

uniforme. Per s’intende il prodotto tra la massa e la velocità

II PRINCIPIO (Legge di Newton): un corpo soggetto a una forza o a un insieme di

forze a risultante non nulla accelera proporzionalmente alla forza applicata.

III PRINCIPIO (P. di azione e reazione): ad ogni azione corrisponde una reazione

uguale in modulo e direzione e contraria in verso. RICORDA!

Dividiamo le forze in:

Reali cioè tutte quelle che esistono e che sono giustificate nei sistemi di

 riferimento inerziali. Si dividono poi in

attive (esistono indipendentemente e

facilitano il moto di un corpo, per esempio

forza elastica. Gravitazionale, centripeta) e

passive (cioè si sviluppano solo se ci sono

forza attive)

Apparenti

 quelle forze che possiamo

studiare nei sistemi di riferimento non

inerziali

Esistono vari tipi di forze:

Gravitazionale

 Pag. 6

Elastica è quella forza prodotta dalla deformazione di una molla. Considerando

 il caso semplice di una molla a spirale … Il segno – davanti a kx indica che

il verso della forza elastica è

opposto a quello di x. Indica

quindi che la struttura elastica

reagisce all’allungamento,

esplicitando la forza nel verso

opposto

Centripeta è quella che

 produce un’accelerazione

centripeta su un copro di massa m, ha direzione perpendicolare alla velocità

ed è orientata verso il centro di una circonferenza di raggio r. (esempio della

centrifugazione) Di attrito (forza



reale passiva)

interviene limitando o

ostacolando il moto di

un corpo. Sul blocco agisce la forza peso, la forza N cioè la reazione vincolare

uguale e contraria alla forza peso e la forza di attrito che ostacola lo

spostamento del corpo. Pag. 7

attrito volvente

Si ha se si parla di resistenza al rotolamento di un cilindro o

attrito viscoso

sfera su un piano; considerando il corpo in un fluido, si

manifesta una forza resistiva opposta al verso del moto

Elettrica

 Nucleare forte/debole



3. Statica

L’equilibrio si definisce stabile quando,

comunque si perturbi il corpo, questo torna

sempre nella sua posizione iniziale di

equilibrio. Si definisce instabile se

perturbando il copro questo si allontana dalla posizione inziale.

Esempi sono vincoli e leve

La reazione vincolare R è una forza

che i “vincoli” esercitano su

corpi con i quali sono in contatto.

forze di reazione che

sono

si oppongono alle forze applicate dal

corpo sul vincolo stesso

forze sempre perpendicolari

sono

al vincolo

Se consideriamo un corpo sospeso a

un’asse orizzontale e perpendicolare a

un foglio. L’unica posizione di

equilibrio è quella in ci la reazione

vincolare si uguaglia alla forza peso.

Se si sposta perderemo lo stato di

equilibrio e assume una forma di

energia. Pag. 8

L’energia è la capacità che un corpo ha di compiere lavoro, dove per lavoro

intendiamo il prodotto tra la Forza e lo spostamento.

Distinguiamo:

Energia cinetica (associata a un corpo in movimento)

 Energia potenziale (associata alla posizione di un corpo)

 Energia chimica (associata al legame molecolare)

 Energia nucleare (associata alla massa)

 Energia termica (associata al calore)

 In un sistema isolato l’energia totale si conserva sempre

 (principio di conservazione dell’energia).

1J= 1 N 1m

L’unità di misura dell’energia è il Joule  x Si definisce potenza

meccanica il lavoro

compiuto da una forza nell’unità di tempo.

Unità di misura è il watt 1 W = 1J / 1s

 TERMODINAMICA Pag. 9

Per temperatura s’intende l’indice dello stato termico di un corpo, è la

grandezza che possiamo misurare con il termometro; con il termometro

possiamo dire con certezza se i due corpi sono alla stessa temperatura o no, e

se la temperatura di un sistema varia nel tempo o al contrario si parla di

equilibrio termico.

principio 0 della termodinamica,

Per il se abbiamo 3 sistemi e il primo è in

equilibrio termico con il secondo e il secondo è in equilibrio termico con il

termico, allora anche il primo sarà in equilibrio termico con il terzo.

Il concetto di temperatura è un concetto macroscopico e può essere

considerato una variabile unica per l’intero sistema che sia omogeneo o no; Per

caratterizzare un sistema omogeneo basta accanto alla temperatura poche

variabili macroscopiche: la massa, volume, concentrazione e la pressione. È

possibile definire questo stato macroscopico come stato termodinamico, per

una data massa di una specie chimica, definita la pressione, il volume e la

temperatura abbiamo una descrizione delle variabili di stato.

Tutte le sostanze nei 3 stati di aggregazione si dilatano all’aumentare della

temperatura. Un’eccezione è rappresentata dall’acqua nell’intervallo dai 0°- 4°

dove al crescere della temperatura diminuisce il volume (pensa al cubetto di

ghiaccio). LEGGE DELLA DILATAZIONE CUBICA

t = temperatura centrigrada

V = volume a 0°

0

V(t) = volume alla temperatura t (vediamo la

variazione dei volumi in funzione della variazione di

temperatura)

α = coefficiente di dilatazione cubica ( cambia da

sostanza a sostanza, ha lo stesso valore per tutti i gas che si

trovano nella stessa condizione in cui possono essere

considerati gas perfetti. Il significato fisico di questo

coefficiente è l’aumento percentuale di un determinato

La misura della temperatura è una misura diretta poiché utilizziamo

volume per la variazione di 1° della sua temperatura)

direttamente il termometro (potrebbe sembrare indiretta dal momento che

questa grandezza viene misurata in base alla variazione che subisce una

proprietà fisica al variare della temperatura). Tra le proprietà usate per la

misura della temperatura:

- Pressione di un gas perfetto

- Resistenza elettrica dei conduttori

- Differenza di potenziale che si produce ai capi dei due fili metallici

- Lo spettro della radiazione elettromagnetica Pag. 10

La dilatazione dei liquidi è una delle proprietà più utilizzate per i termometri;

tra i liquidi più usati abbiamo il mercurio (adesso non più) e l’alcol che ha un

coefficiente di espansione cubico maggiore del mercurio e non è un buon

conduttore di calore; il mercurio invece è un buon conduttore di calore e

necessita di una piccola quantità di calore per espandersi.

termometro a mercurio

Il è costituito da un tubo di vetro molto sottile che si

collega ad un bulbo di metallo riempito di mercurio e tutto sigillato in modo che

la pressione è al di sopra del livello del mercurio quindi uguale alla tensione di

vapore del mercurio; dobbiamo notare che il volume del bulbo del termometro

varia con la temperatura e quindi mettiamo un termometro sotto il braccio e il

volume del bulbo del termometro varia, ma poiché in ogni corpo cavo il

volume interno si dilata esattamente come se fosse un solido, la variazione di

altezza del liquido nel capillare dipende dalla differenza tra il suo coefficiente di

dilatazione

datazione e quello del vetro; quindi si osserva quella che si chiama

apparente.

Per rendere il termometro empirico è necessaria la taratura che permetta

quindi di associare ad ogni valore del volume del mercurio e quindi ad ogni

valore del suo livello del capillare, un valore della temperatura. Per questa

operazione si usano i PUNTI FISSI, in un sistema omogeneo che effettua un

passaggio di Stato, la temperatura ovviamente resta costante, quindi si ha un

punto fisso. Quindi per tarare un termometro si immerge il suo bulbo in una

miscela di acqua e

ghiaccio, si

determina il

livello del

mercurio in

questa

situazione, lo

stesso lo si fa con

l'acqua in

ebollizione e a

seconda dei valori di temperatura che si attribuiscono arbitrariamente a questi

due livelli e a seconda poi del numero di parti in cui si divide l'intervallo tra

questi due livelli, si hanno quelle che si chiamano scale termometriche.

Tre sono le scale di temperatura importanti:

-la scala Celsius del termometro a mercurio;

- la scala del termometro gas perfetto

- la scala termodinamica Pag. 11

Per quanto le differenze tra queste scale sono piccole, differiscono

concettualmente per la crescita della sostanza termometrica.

Un gas qualsiasi, ad esempio per la scala del termometro è una sostanza

qualsiasi per la scala termometrica.

La scala kelvin differisce in scala percentuale soltanto per una diversa scelta

dello zero , cioè bisogna aggiungere 273.

Perché ci sia passaggio di calore da un sistema all’altro è necessaria una

differenza di temperatura tra i due sistemi; quando un sistema riceve o cede

del calore, la sua temperatura rispettivamente aumenta o diminuisce quindi

possiamo definire il calore come quell’energia che passa da un sistema all’altro

per differenza di temperatura. Il passaggio potrà avvenire per:

-conduzione se c’è una propagazione senza trasporto di materia

-irraggiamento se c’è emissione di one elettromagnetiche

-convenzione se vi è una

propagazione mediante

trasporto di materia ma in

ogni caso sarà sempre

condizionato da un salto di

temperatura con l’esclusione di

trasformazioni meccaniche

intermedie.

calore e il lavoro

Il sono due diversi modi attraverso i quali l’energia può

passare da un sistema all’altro; il calore, essendo energia scambiata dai corpi

per effetto delle differenze di temperatura si misura in Joule; in dietistica altra

unità di misura è il “cal” ossia quantità di calore che bisogna somministrare ad

1 g di acqua distillata per aumentare la sua temperatura di 1° in particolare per

aumentarla da 14,5° a 15,5° . Questa precisazione è necessaria perché la

quantità di calore necessaria per aumentare di 1° la temperatura di una data

quantità d’acqua dipende, debolmente, dalla temperatura del sistema. Viene

utilizzato come multiplo delle ca, le kcal. (1000 cal= 1 kcal= 1 cal). Calore ed

energia interna non sono la stessa cosa!

Capacità termica e calore specifico

La quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende non solo dalla

variazione di temperatura, ma anche dalle dimensioni del corpo e dalla sua

Pag. 12

costituzione. Ogni corpo per

riscaldarsi di 1° C, ha bisogno

di una quantità di calore detta

capacità termica indicata con

c ed è definita dal rapporto tra

la quantità di calore che il

corpo scambia con il sistema e

la variazione di temperatura

che il corpo subisce per effetto

di questo scambio.

Q = quantità di calore che il

corpo scambia con sistema

(t1 – t2) variazione di

temperatura

È una proprietà dei corpi

disomogenei cioè composti di

diverse sostanze. Per i corpi omogeni invece (quindi fatti dello stesso

materiale) la capacità termica si può definire come grandezza estensiva cioè a

parità di sostanza e proporzionale alla massa del corpo; per i corpi omogenei

quindi è data dal prodotto tra c (calore specifico) e m (massa del corpo).

Possiamo quindi ricavare la relazione che ci dice che nel S.I. il calore

 specifico si misura e si può misurare anche in kcal / chilogrammo per

grado Celsius

Parliamo quindi di capacità termica per un termometro e di calore specifico per

ogni sostanza che lo compone (mercurio, vetro); infatti se indichiamo con C la

capacità termica immaginando i due corpi nello scambio di calore tra due corpi

con m1 e m2, calore specifico 1 e calore specifico 2, t1 e t2, il calore ceduto dal

corpo 1 sarà uguale al calore acquisito dal corpo2 in una condizione di

equilibrio termico.

Il trasporto di calore è il fenomeno per cui l’energia passa da un punto

all’altro di uno stesso corpo oppure da un corpo all’altro per effetto

dell’esistenza di una differenza di temperatura tra i due corpi. I meccanismi con

cui avviene sono:

- Conduzione Richiedono la presenza di un mezzo materiale in cui si

- Convenzione possa propagare il calore

Irraggiamento

- può verificarsi anche in assenza del mezzo quindi può



avvenire anche nel vuoto perché l’energia viene trasportata da one

elettromagnetiche che si propagano nel vuoto Pag. 13

Il trasporto per conduzione può verificarsi in generale attraverso i mezzi

materiali che sono a contatto; &egr