FISICA E LABORATORIO

FISICA E LABORATORIO classe seconda ITT

Dipartimento di Fisica I.I.S. Primo Levi

Fisica e laboratorio classe seconda ITT

DipartimentodiFisica I.I.S.PrimoLevi

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IMOTILameccanicaèlascienzachestudiailmotoel’equilibriodeicorpi.E’suddivisain:

! cinematica(studiailmotoaprescinderedallesuecause)! dinamica(studiailmotoinrelazioneallecause)! statica(studial’equilibriodeicorpi).

Imotisonotantieincinematicasiimpostanodelleequazionimatematichechelirappresentano:laleggecheassociaaciascunistanteditempotlaposizionesdelpuntomaterialeP(t)èdettaleggeorariadelpuntomaterialeP.

Si definisce punto materiale un corpo le cui dimensioni siano trascurabili rispetto al fenomeno in studio.

LATRAIETTORIALa traiettoria è l’insieme dei punti attraverso i quali passa un puntomateriale durante il suomoto.Latraiettoriaèrappresentatadaunalineaimmaginaria(chiamatacurva)cheuniscetutteleposizionioccupatedalpuntointuttigliistanti.Latraiettoriapiùsempliceèquellarettilineaeuncorposimuovedimotorettilineoquandolasuatraiettoriaèunsegmentodiretta.Perdescriverelatraiettoriaènecessariointrodurreunsistemadiriferimento.Ingeneresiusailpianocartesiano,checonstadi:

• unpuntofissoO,chiamatoorigine• duerette,detteassi,traloroperpendicolari,echepassanodaO• suciascunasseunversoeun’unitàdimisura,cheidentificanounacoordinata(x,y).

LAVELOCITÀMEDIALavelocitàmediavdiuncorposidefiniscecomeilrapportotralospazioΔspercorsoinuncertointervalloditempoel'intervalloditempoΔtimpiegatoapercorrerlo:v=Δs/ΔtLavelocitàmediasicalcolainmetrialsecondom/s.SiccomeΔtèsemprepositivo,ilsegnodivdipendedalsegnodellospostamento.

Per descrivere il moto di un corpo si usa il grafico spazio-tempo:sull’asse delle x si mette il tempo t e sull’asse delle y si mette lospostamentos.Ognipuntodelgraficodà laposizionedelcorponell’istantedi tempocorrispondente.

ILMOTOVARIOSeilpuntomaterialesimuovesuunatraiettoriarettilineaeilmodulodellasuavelocitànonsimantienecostanteneltemposiparladimotovario.Perquestotipodimotoilgrafico(s,t)nonèrappresentatodaunaretta,madaunacurva.

ILMOTORETTILINEOUNIFORMEMRUIlmoto rettilineo uniforme è ilmoto di un puntomateriale che si sposta lungo una retta convelocitàcostante.Laleggeorariaè: s(t)=s0+v "t

cioèlospazioèunafunzionelinearedeltempo:intempiugualisonopercorsispaziuguali.



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Ilgraficospazio-tempoèunarettachepassaomenodall’origineasecondachelospazioinizialesianullo(s0=0)omeno.LavelocitànelMRUrappresentalapendenzadellaretta:selavelocitàèpositivalarettaècrescente,seènegativalarettaèdecrescente.Inoltre,piùlarettaèpendente,piùaltaèlavelocità.

ILMOTORETTILINEOUNIFORMEMENTEACCELERATOMRUASidefinisceaccelerazionemediailrapportotralavariazionedivelocitàΔv del corpo e l’intervallo di tempo Δt in cui è avvenuta: am=Δv / Δt

NelSIl’unitàdimisuraèm/s2.Selavelocitàècostante,l’accelerazioneènulla.

L’accelerazionepuòancheesserenegativa,intalcasoparleremodidecelerazione.Nel moto rettilineo uniformemente accelerato il corpo si muove lungo una retta conaccelerazionecostante.Ilgraficovelocità-tempoèunarettael’accelerazioneèlapendenzadellaretta.Uncorpocheall’istantet=0havelocitàinizialev0esimuoveconaccelerazionecostanteaall’istantethavelocità:v(t)=v0+a "t

Ilgraficospazio-tempoèunramodiparabola(consolovaloripositivideltempo).

Laleggeorariaè: s(t)=s0+v0 "t+½a "t2 ATTENZIONE:ilgraficoNONrappresentalatraiettoria!

ESERCIZI1. Un’automobileprocedeallavelocitàcostantedi108km/h.Quantikmpercorrein10minuti?(18km)2. Seunveicolosimuovedimotorettilineouniformeconvelocitàdi72km/h,quantotempoimpiegaperpercorrere288m?(14,4s)

3. Uncorpohavelocitàinizialev0=30m/seaccelerazionea=–2m/s2.Qualesaràlavelocitàall’istantet1=10s?(–10m/s)



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LADINAMICALadinamicaèilramodellameccanicachestudiailmotodeicorpiinrelazioneallecausechelodeterminanoolomodificano.Secondo l'intuizione fondamentale di GalileoeNewton, le forze non sono la causa del moto, ma producono una variazione dello stato di moto, ovvero un’accelerazione. Questa intuizione equivale ad affermare la relatività del movimento; un osservatore può determinare il suo stato di quiete o di moto solo relativamente ad altri corpi (o altri osservatori).

PRIMO,SECONDOETERZOPRINCIPIODELLADINAMICANel1687IsaacNewtonposelebasiconcettualidelladinamica:

1. Il principiodiinerziao1°principiodelladinamica:1. “Sesuuncorpononagisconoforzeoagisceunsistemadiforzeinequilibrio,ilcorpopersevera

nelsuostatodiquieteodimotorettilineouniforme”.

Per“sistemadiforzeinequilibrio”siintendeuninsiemediforzelacuisommavettorialesianulla.È strettamente correlato con il principio di relatività: un corpo sul quale non agisce nessuna forza e fermo rispetto a un osservatore, è visto in moto rettilineo uniforme da un altro osservatore in moto rettilineo uniforme rispetto al primo. E questo vale per tutti gli osservatori in moto rettilineo uniforme.

2. Laleggefondamentaledelladinamicao2°principiodelladinamica:“Sesuuncorpoagisceunaforzaounsistemadiforze,laforzarisultanteapplicataalcorpopossiededirezioneeversodellasuaaccelerazionee,inmodulo,èdirettamenteproporzionalealmodulodellasuaaccelerazione”.Lacostantediproporzionalitàtraquesteduegrandezzeèlamassa(dettaappuntoinerziale),grandezza specifica di ciascun corpo. Questa legge può essere enunciata mediantel’equazione

F=m"adove F è la risultante delle forze agenti sul corpo, m è la massa del corpo e a èl’accelerazionecuièsoggetto.

3. Ilprincipiodiazione-reazioneo3°principiodelladinamica:“Adogniazionecorrispondeunareazionepariecontraria”cioè,seduecorpiinteragisconotraloro,sisviluppanodueforze,dettecomunementeazionee reazione: come grandezze vettoriali sono uguali in modulo e direzione, ma opposte inverso.

F12=–F21ILLAVOROSesiapplicaunaforzaadunoggettoelosimuoveperunacertadistanza,siècompiutoun"lavoro".Illavoroèdunqueilprodottoscalarediunaforza applicataauncorpodaunagenteesternoperladistanzasucuiquellaforzaagiscesulcorpo.

Il lavoroeseguitodallaforzaFpermuoverelamassamdiunadistanzasè: L=F" s

Daquestaformulasipuòdedurreche:1.illavoroènullo,seènullolospostamento,oseènullalaforza,ose,nonessendonullinessunodeidue,sonofraloroperpendicolari;

2.illavoroèpositivoquandolaproiezionedellaforzasullospostamentohalostessoversodiquesto,edènegativosehaversoopposto;

3.quandolaforzaelospostamentohannolastessadirezione,illavoroèugualealprodottodelmodulodellaforzaperlospostamento,conilsegno+o-,asecondachesianodellostessoversoodiversoopposto.

L'unità dimisura del lavoro è, nel SI, il joule(J), cioè il lavoro che effettua una forza di 1N perspostareilsuopuntodiapplicazionedi1mnellasuastessadirezioneeverso.



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L’ENERGIAL'energiamisura lacapacitàdiuncorpodicompiereunlavoro.E’unagrandezzafisicaestensiva,cioèdipendedallaquantitàdimateria.L'unitàdimisuradell’energiaè,nelSI,iljoule(J).Uncorpopuòincrementareodiminuirelasuaenergiainseguitoadunainterazioneconaltricorpie, poiché esistono numerose possibili interazioni, l’energia si distingue in diversi tipi: nucleare,elettrica,meccanica,chimica,ecc.

LALEGGEDICONSERVAZIONEDELL’ENERGIAMECCANICAL’energiapuòesseredefinitacomeunaproprietàpossedutadalsistemachepuòesserescambiatafra i corpi attraverso il lavoro,ma la quantità totale di energia in sistemi chiusi o isolati rimanecostante.L'invarianzadellaquantitàtotaledell'energiaèespressadalprincipiodiconservazionedell’energia, secondo il quale la variazionedi energia in una regionedi spazio è uguale al flussonettodienergiachefluisceversolospazioesterno.LAPOTENZALapotenzaèdefinitaoperativamentecomel’energiatrasferitanell'unitàditempo.Asecondadeltipodienergiatrasferita,siparlapiùspecificatamentedipotenzameccanica(periltrasferimentodilavoro),potenzatermica(periltrasferimentodicalore)epotenzaelettrica(periltrasferimentodienergiaelettrica).LapotenzatermicasiindicaingenereconilsimboloQ,mentrelapotenzameccanica, lapotenzaelettricaealtre formeordinatedipotenza ingeneresi indicanoconilsimboloP.NelSIlapotenzasimisurainwatt(W),datodalrapportotraunitàdienergiaJeunitàditempos:1W=1J/s=1kgm2s-3

Inbasealprincipiodiuguaglianzatra lavoroedenergia, lapotenzamisura laquantitàdienergiascambiata nell'unità di tempo, in un qualunqueprocesso di trasformazione,meccanico, elettrico,termicoochimicochesia.

ENERGIACINETICA,POTENZIALEEMECCANICAL'energia cinetica è l'energia che dipende unicamente dallo stato dimoto del sistema preso inconsiderazioneedellesuerelativecomponenti.Peruncorpopuntiformel'energiacineticaèugualeallametàdelprodottodellamassadelcorpoperilquadratodellasuavelocità:

Ek=½mv2L'energiacineticaèunagrandezzachepuòassumeresolovaloripositivi.L'energia potenziale è un tipo di energia che dipende unicamente dalla configurazione o dallaposizionedeicorpiedelleparticelleininterazione.Asecondadeltipodiinterazioneediforzaconsiderataesistononumerositipidienergiapotenziale.Il classicoesempiodienergiapotenzialeèquelladelcampogravitazione terrestreEp, cheperuncorpodimassampostoadun'altezzahèugualea:

Ep=m" g" hdoveg=9,8m/s2èl’accelerazionedigravità.Questo tipo di energia dipende solo dalla posizione di un corpo e quando questo viene lasciatocaderel'energiapotenzialecambiaduranteiltempolapropriaformadiventandocinetica.L'energiameccanicaèlasommadienergiacineticaeenergiapotenzialedellostessosistema.Quando due sistemi si scambiano tra loro energia meccanica, tale energia in transito èdefinitalavoro.Dunque l'energiameccanicapuòesserepossedutadaunsistemae scambiata conaltri sistemi, mentre il lavoro corrisponde solamente alla parte di energia meccanica che èscambiata.



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TERMOLOGIALa termologia studia gli scambi termici tra i corpi, le trasformazioni dei corpi sottoposti aitrasferimentidicaloreelecondizioniincuiavvengonoquestetrasformazioni.Legrandezze fisichecoinvolte sonomolte,ma, inparticolare,vengono individuate temperatura ecalore.Latemperaturaèunamisuradelgradodiagitazionetermicadelleparticelle(atomi,molecole)checostituisconouncorpo;ècollegataalconcettodienergiacinetica.E’unagrandezzafondamentaleintensiva,lacuiunitàdimisuranelSIèilkelvinKelostrumentoperlasuamisuraèiltermometro.Ilcaloreèunaformadienergia,l’energiatermica.E’unagrandezzaderivataestensiva,lacuiunitàdimisuranelSIèiljouleJelostrumentoperlasuamisuraèilcalorimetro.SCALETERMOMETRICHETutti i corpi,quandosonoriscaldati, aumentanodivolumeequesta caratteristicavienesfruttatapercostruirescaletermometrichepermisurarelatemperatura.Lescaletermometrichesonocostruitesfruttandodeipunticaratteristicidellesostanze:

SCALETERMOMETRICHE VALORIDIRIFERIMENTO

Kelvinoassoluta 273K(273Kelvin)pariallatemperaturadelghiacciofondente373K(373Kelvin)pariallatemperaturadell'acquabollente

Celsiusocentigrada0°C(0gradicelsius)pariallatemperaturadelghiacciofondente100°C(100gradicelsius)pariallatemperaturadell'acquabollente

Fahrenheit 32°F(32gradiFahrenheit)pariallatemperaturadelghiacciofondente212°F(212gradiFahrenheit)pariallatemperaturadell'acquabollente

Reamur 0°R(0gradiReamur)pariallatemperaturadelghiacciofondente80°R(80gradiReamur)pariallatemperaturaacquabollente

NelSIsiusalascalaKelvin.

Trasformazioni: K=°C+273 °C=K–273

LADILATAZIONELINEAREDEISOLIDILadilatazione termicaè ilfenomeno fisico che si realizza quando in un corpo si verifica unaumentodivolumeospazioall’aumentaredellatemperatura.Nei corpi solidi, avvengono tre tipi di dilatazione: dilatazione cubica, dilatazione superficiale edilatazionelineare.Nelladilatazione lineare, l'aumentodella lunghezzadel corpo Δl èdirettamenteproporzionaleallalunghezzainiziale l1 eallavariazioneditemperatura ΔT

Δl=λl1ΔT doveλ èilcoefficientedidilatazionelineare;l’unitàdimisuradiλèK–1

Lalunghezzafinalesitrovaaggiungendoaquellainizialel1lasuavariazione:

l=l1+Δl=l1+λl1ΔT

LADILATAZIONEVOLUMICADEISOLIDIEDEILIQUIDISe la temperatura di un solido o di un liquido passa da T1aT,ilsuovolumepassadalvolumeinizialeV1alvolumefinaleVinmodochelavariazionedelvolumeΔVsiaproporzionalealvolumeinizialeeallavariazioneditemperaturaΔT:

ΔV=kV1ΔT dovek èilcoefficientedidilatazionecubica,chedipendedallasostanzadacuiècostituitoilcorpo;l’unitàdimisuradikèK–1

IlvolumefinaleVsiottieneconlarelazione: V=V1+ΔV=V1+kV1ΔT



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ILCALORESPECIFICOIl calore specifico è la quantità di energia assorbita o ceduta da 1g di sostanza che subisce lavariazioneditemperaturadi1°C.E’unaproprietàintensivacaratteristicaperognisostanza.Comesipuònotaredalla tabella, il calorespecificodelrameèbasso: basta poca energia per ottenere un grande aumento ditemperatura. Invece, il calore specifico dell’acqua è moltoelevato:occorremoltaenergiaperottenerepiccoli incrementidi temperatura; come conseguenza di questa proprietà suaproprietà, l’acqua dei grandi bacini (laghi, mari e oceani), sicomporta come un grande serbatoio termico, rilasciandodurantelanottel’enormequantitàdicaloreassorbitaduranteilgiornoemitigandocosìilclima.

L’EQUILIBRIOTERMICOSeduecorpicaratterizzatidaduetemperaturediversevengonomessiacontatto,ilcorpopiùcaldotendearaffreddarsi,mentrequellopiùfreddosiriscalda.Ilfenomenosiarrestasoloquandoiduecorpihannopraticamenteraggiuntolastessatemperatura,chiamatatemperaturadiequilibrioesidicecheiduecorpisitrovanoinequilibriotermico.LEGGEDELL’EQUILIBRIOTERMICO: “quandoduecorpi,costituitidallostessomaterialeechesitrovinoatemperatureinizialidiverse,vengonomessiacontatto,subisconovariazioniditemperaturachesonoinversamenteproporzionalialleloromasse”.

ΔT1 =m2

ΔT2 m1

LAPROPAGAZIONEDELCALORE:CONDUZIONE,CONVEZIONE,IRRAGGIAMENTOPerpropagazionedelcaloresiintendeiltrasferimentodienergiatermicatraduesistemi,causatodaunadifferenzadi temperaturatra iduesistemi inquestione.Sedurante ilprocessononvieneprodottocalore,ilcalorecedutodaunsistemavieneacquistatodalsecondosistema,inaccordoconlaleggediconservazionedell’energia.Latrasmissionedelcalorepuòavvenirein3diversemodalità:

CONDUZIONE avviene in presenza di ungradiente di temperatura inun mezzo stazionario, chepuò essere un solido oppureunfluido

dipendedallaconducibilitàtermicadelmaterialeLe sostanze che hanno un'elevata conducibilità termica sono buoni conduttori di calore, mentre quelle per cui la conducibilità è bassa sono dette isolanti termici. I metalli sono ottimi conduttori.

CONVEZIONE quando la trasmissione delcaloresihatraunasuperficiee un fluido in movimento, iquali si trovano atemperaturediverse

èlegataaltrasportodimateriaRiscaldando una pentola d'acqua su un fornello, per esempio, la parte di acqua a contatto con la superficie inferiore della pentola si riscalda prima, viene sospinta verso l'alto a causa della sua minore densità (dovuta alla maggiore temperatura), mentre l'acqua più fredda viene sospinta verso il basso: le correnti convettive che si creano trasportano il calore da un punto all'altro della massa d'acqua, riscaldando in breve tutto il fluido.

IRRAGGIAMENTO Meccanismodi propagazionedelcalorenelvuoto

Iltrasferimentodicaloreèdovutoall'assorbimentodiradiazioneelettromagneticaE’ il modo in cui la Terra riceve calore dal Sole. In questo caso non vi è trasporto di calore, ma di un'altra forma di energia, che si trasforma in calore a causa dell'assorbimento di onde elettromagnetiche.



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IPASSAGGIDISTATOLamateriainnaturapuòpresentarsiintrestati:solido,liquidoegassoso.

Uncorpopuòpassaredaunostatoaunaltro:passaggiodistato(trasformazionefisica).Ipassaggidistatohannoiseguentinomi:Fusione:passaggiodasolidoaliquidoEbollizione:passaggiodaliquidoadgasSublimazione:passaggiodirettodasolidoagasLiquefazione:passaggiodagasealiquidoSolidificazione:passaggiodaliquidoasolidoBrinamento:passaggiodirettodagasasolido

ILCALORELATENTEIlcalore latenteèlaquantitàdienergia(sottoformadicalore)necessariaallosvolgimentodiunpassaggiodistato.Siindicaconλ.L’unitàdimisuraènelSIèJ/kg.L'energia fornita (o assorbita) al sistema non incrementa (o decrementa) la temperatura delsistemastesso,maagiscesullaforzadeilegamiintermolecolari.Ad esempio, mentre si fa bollire dell’acqua, il calore fornito non ne innalza la temperatura (la temperatura infatti rimane costante durante l'ebollizione), ma indebolisce i legami fra le molecole, le quali di conseguenza saranno libere di occupare tutto il volume a loro disposizione (ovvero passeranno dallo stato liquido, caratterizzato da una scarsa compressibilità, allo stato vapore), fino al momento in cui tutta l'acqua sarà passata in fase gassosa. Asecondadeltipoditransizionedifaseinquestione,siparladi:• calorelatentedifusione• calorelatentediebollizione• calorelatentedisublimazione.Ilcalorenecessarioalpassaggiodifaseè: Q=λ " mcioèilcaloreQfornitoosottrattoalsistemanoninfluiscesullatemperatura,maèproporzionaleallaquantitàdisostanzamchehacambiatofase,econtinuafinoachetuttalasostanzanonhacambiatofase.

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