Fisica per la scuola superiore

La seconda edizione (aprile 2019) del libro «Fisica per la scuola superiore» di Gerardo Troiano e Gloria Rocci liberamente scaricabile in formato PDF.

Argomenti trattati: equilibrio – meccanica – termologia – onde -elettromagnetismo – quanti – relatività.

ISBN 9788896354421

Prima edizione: Luglio 2013

Questo libro è rilasciato con licenza Creative Commons BY-SA.

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 ed 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
3. L’equilibrio 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
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 . 94
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 (video1) (video2) . 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
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 gravità su un pianeta . 134
5.11 Le leggi di Keplero . 135
5.12 Moto di un satellite intorno alla Terra . 137
5.13 Campo gravitazionale .. 140
5.14 Sistemi di riferimento non inerziali . . 142
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
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
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 . 183
7.7 Conversioni tra scale termiche. 185
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
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
8.31 In laboratorio . 252
8.32 Approfondimento: William Thomson Kelvin . 253
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
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
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
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
12.8 CLIL Project . 359
12.9 Seconda legge di Ohm . 362
12.10 Resistività e temperatura . 362
12.11 I superconduttori . 363
12.12 Forza elettromotrice (f.e.m.) . 365
12.13 Energia e potenza della corrente elettrica . 366
12.14 Energia elettrica . 367
12.15 Potenza elettrica . 368
12.16 Effetto Joule . 369
12.17 Definizioni di ramo, nodo e maglia . 371
12.18 Leggi di Kirchhoff . 371
12.19 Resistenze in serie e in parallelo . 374
12.20 Circuiti RC . 379
12.21 Elettrolisi . 382
12.22 La pila di Volta. 383
12.23 Disputa Galvani-Volta . 385
12.24 Corrente elettrica nei gas . 386
12.25 Conduzione elettrica nel vuoto . 386
12.26 I semiconduttori . 387
12.27 Circuiti integrati e chip . 392
12.28 Riassumendo e glossario dei termini incontrati . 394
12.29 Problemi proposti . 395
12.30 In laboratorio . 399
12.31 Approfondimento: Georg Simon Ohm . 400
13. Il magnetismo e le interazioni con l’elettricità 404
13.1 Fenomeni magnetici . 405
13.2 Il campo magnetico . 407
13.3 Campo magnetico terrestre . 408
13.4 C.L.I.L. Project . 410
13.5 Esperienza di Oersted . 412
13.6 Esperienza di Faraday . 413
13.7 Esperienza di Ampère tra corrente e corrente . 413
13.8 Circuitazione di campo magnetico. . 414
13.9 Legge di Ampere . 414
13.10 Legge di Biot-Savart . 415
13.11 Campo magnetico nel centro di una spira circolare . 417
13.12 Campo magnetico in un solenoide . 417
13.13 Ciclo di isteresi magnetica . 419
13.14 Applicazioni: Elettrocalamita . 421
13.15 Dipolo magnetico . 421
13.16 L’origine del magnetismo e ipotesi di Ampère . 423
13.17 Dominio di Weiss . 424
13.18 Il moto di una carica elettrica in un campo . 425
13.19 Azione di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente 428
13.20 Il motore elettrico a corrente continua . 429
13.21 Il galvanometro . 431
13.22 Riassumendo e glossario dei termini incontrati . 433
13.23 Problemi proposti . 434
13.24 In laboratorio . 438
13.25 Andrè Marie Ampère . 439
14. L’ettromagnetismo 441
14.1 Correnti indotte . 442
14.2 Il flusso dell’induzione magnetica . 444
14.3 Induttanza . 447
14.4 Autoinduzione . 447
14.5 Corrente alternata . 449
14.6 L’alternatore e la dinamo . 451
14.7 Energia elettrica . 453
14.8 C.L.I.L. Project . 454
14.9 Il circuito resistenza induttanza . 455
14.10 Impedenza e reattanza . 458
14.11 Onde elettromagnetiche . 459
14.12 La natura della luce . 462
14.13 Le equazioni di Maxwell sull’elettromagnetismo . 463
14.14 Riassumendo e glossario dei termini incontrati . 468
14.15 Problemi proposti . 469
14.16 Michael Faraday . 471
15. La fisica moderna 473
15.1 La crisi della fisica classica . 474
15.2 La radiazione di corpo nero . 476
15.3 L’effetto fotoelettrico . 478
15.4 CLIL Project . 480
15.5 Nascita della Meccanica Quantistica – L’Effetto Compton . 481
15.6 La meccanica quantistica . 482
15.7 Il Paradosso del Gatto di Schrödinger . 483
15.8 La lunghezza d’onda di una particella . 484
15.9 Il principio di indeterminazione di Heisemberg . 486
15.10 Il Principio di Complementarietà di Bohr . 487
15.11 L’Effetto Tunnel . 488
15.12 Forze nucleari . 490
15.13 Struttura atomica . 491
15.14 La radioattività . 495
15.15 Le forze fondamentali in natura . 496
15.16 Le particelle elementari: leptoni e quark . 497
15.17 L’unificazione delle forze: Teoria del tutto . 503
15.18 Il Bosone di Higgs . 504
15.19 Gli acceleratori di particelle . 505
15.20 Teoria della relatività di Einstein . 506
15.21 Trasformazioni di Lorentz . 512
15.22 I buchi neri . 515
15.23 Riassumendo e glossario dei termini incontrati . 518
15.24 Problemi proposti . 519
15.25 Albert Einstein . 523
16. Matematica e Fisica 525
Indice analitico 537
Sitografia bibliografica, indice delle figure 546
Laboratori proposti 541
Videografia 562
Contributi 563

  Fisica per la scuola superiore, a cura di Gerardo Troiano, 2a edizione, aprile 2019
Equilibrio, meccanica, termologia, onde, elettromagnetismo, quanti, relatività. ISBN9 788896354421

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