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Indice

Prefazione XI

1 Misura e vettori

1.1 Le origini della fisica 2

1.2 Unità di misura 3

1.3 Conversione di unità di misura 6

1.4 Dimensioni delle grandezze fisiche 7

1.5 Cifre significative e ordini di grandezza 8

1.6 Vettori 14

1.7 Proprietà generali dei vettori 14

LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI

Un minuto di 61 secondi 21

RIEPILOGO 22

PROBLEMI 23

Parte I • MECCANICA

2 Moto in una dimensione

2.1 Spostamento e velocità 28

2.2 Accelerazione 35

2.3 Moto uniformemente accelerato 37

2.4 Integrazione 47


Acceleratori lineari 51

RIEPILOGO 52

PROBLEMI 53

indice 25-03-2009 10:49 Pagina III

3 Moto in due e tre dimensioni

3.1 Spostamento, velocità e accelerazione 64

3.2 Moto di un proiettile 71

3.3 Moto circolare 78


GPS: vettori calcolati durante il moto 82

RIEPILOGO 83

PROBLEMI 84

4 Le leggi di Newton

4.1 La prima legge di Newton 94

4.2 Forza e massa 95

4.3 La seconda legge di Newton 97

4.4 Forza di gravità e peso 99

4.5 Forze di contatto 101

4.6 Diagrammi di corpo libero 104

4.7 La terza legge di Newton 109

4.8 Problemi con due o più corpi 111


Montagne russe e velocità 114

RIEPILOGO 115

PROBLEMI 116

5 Ulteriori applicazioni delle leggi di Newton

5.1 Attrito 128

5.2 Forze di resistenza 139

5.3 Moto su traiettoria curvilinea 141

5.4 Integrazione numerica: metodo di Eulero 147

5.5 Centro di massa 149


Ricostruzione di un incidente: misure e forze 158

RIEPILOGO 159

PROBLEMI 160

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indice 25-03-2009 10:49 Pagina IV

6 Lavoro ed energia cinetica

6.1 Lavoro compiuto da una forza costante 174

6.2 Lavoro compiuto da una forza variabile (moto rettilineo) 179

6.3 Prodotto scalare 182

6.4 Teorema del lavoro e dell’energia cinetica (traiettoria curvilinea) 188

6.5 Lavoro e moto del centro di massa 190


Montagne russe e bagagli 193

RIEPILOGO 194

PROBLEMI 195

7 Conservazione dell’energia

7.1 Energia potenziale 202

7.2 Conservazione dell’energia meccanica 209

7.3 Conservazione dell’energia 219

7.4 Massa ed energia 228

7.5 Quantizzazione dell’energia 231


Processi dissipativi nelle turbine eoliche 233

RIEPILOGO 234

PROBLEMI 236

8 Conservazione della quantità di moto

8.1 La quantità di moto e la sua conservazione 248

8.2 Energia cinetica di un sistema 254

8.3 Urti 255

8.4 Urti nel riferimento del centro di massa 271

8.5 Massa variabile e propulsione a reazione 273


Motori a reazione più veloci... e rumorosi! 277

RIEPILOGO 278

PROBLEMI 279

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indice 19-03-2009 14:56 Pagina V

9 Moto rotatorio

9.1 Velocità e accelerazione angolare 290

9.2 Energia cinetica rotazionale 292

9.3 Calcolo del momento d’inerzia 294

9.4 La seconda legge di Newton per il moto rotatorio 301

9.5 Applicazioni della seconda legge di Newton per il moto rotatorio 303

9.6 Rotolamento 310


Centrifughe velocissime 316

RIEPILOGO 317

PROBLEMI 318

10 Momento angolare

10.1 Natura vettoriale del moto rotatorio 332

10.2 Momento di una forza e momento angolare 334

10.3 Conservazione del momento angolare 341

10.4 Quantizzazione del momento angolare 350


Momento angolare atmosferico 353

RIEPILOGO 354

PROBLEMI 355

R Relatività speciale

R.1 Postulati di Einstein 364

R.2 Righelli in moto 366

R.3 Orologi in moto 367

R.4 Ancora righelli in moto 370

R.5 Orologi distanti e simultaneità 371

R.6 Quantità di moto, massa ed energia relativistiche 375

RIEPILOGO 377

PROBLEMI 378

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indice 19-03-2009 14:56 Pagina VI

11 Gravitazione

11.1 Le leggi di Keplero 384

11.2 Legge di gravitazione universale 387

11.3 Energia potenziale gravitazionale 394

11.4 Campo gravitazionale 398

11.5 Campo gravitazionale di un guscio sferico 404


Lenti gravitazionali: una finestra sull’universo 406

RIEPILOGO 407

PROBLEMI 408

12 Equilibrio statico ed elasticità

12.1 Condizioni di equilibrio 418

12.2 Il centro di gravità 418

12.3 Esempi di equilibrio statico 419

12.4 Equilibrio statico in un riferimento accelerato 426

12.5 Stabilità dell’equilibrio rotazionale 427

12.6 Problemi indeterminati 428

12.7 Sforzi e deformazione 429


Nanotubi di carbonio: piccoli e potenti 432

RIEPILOGO 433

PROBLEMI 434

13 Meccanica dei fluidi

13.1 Densità 444

13.2 Pressione in un fluido 445

13.3 Spinta di Archimede e principio di Archimede 452

13.4 Dinamica dei fluidi 458


Aerodinamica e automobilismo 468

RIEPILOGO 469

PROBLEMI 470

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indice 19-03-2009 14:56 Pagina VII

Parte II • OSCILLAZIONI E ONDE

14 Oscillazioni

14.1 Oscillatore armonico semplice 478

14.2 Energia nel moto armonico semplice 485

14.3 Esempi di sistemi oscillanti 488

14.4 Oscillazioni smorzate 497

14.5 Oscillazioni forzate e risonanza 501


Al ritmo del Millennium Bridge 506

RIEPILOGO 507

PROBLEMI 508

15 Propagazione di onde

15.1 Introduzione 516

15.2 Onde periodiche 523

15.3 Onde in tre dimensioni 529

15.4 Onde e ostacoli 533

15.5 Effetto Doppler 538


Bacini sedimentari e risonanza delle onde sismiche 544

RIEPILOGO 545

PROBLEMI 547

16 Sovrapposizione e onde stazionarie

16.1 Sovrapposizione di onde 556

16.2 Onde stazionarie 564

16.3 Argomenti facoltativi 572


Architettura e acustica 576

RIEPILOGO 577

PROBLEMI 578

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indice 19-03-2009 14:56 Pagina VIII

Parte III • TERMODINAMICA

17 Temperatura e teoria cinetica dei gas

17.1 Equilibrio termico e temperatura 588

17.2 Termometri a gas e temperatura assoluta 590

17.3 Equazione di stato dei gas perfetti 593

17.4 Teoria cinetica dei gas 598


Termometri molecolari 608

RIEPILOGO 609

PROBLEMI 610

18 Calore e primo principio della termodinamica

18.1 Capacità termica e calore specifico 616

18.2 Cambiamenti di stato e calore latente 619

18.3 Primo principio della termodinamica 622

18.4 Energia interna di un gas perfetto 625

18.5 Lavoro e diagramma PV per un gas 626

18.6 Capacità termiche dei gas 630

18.7 Capacità termiche dei solidi 635

18.8 Limiti del teorema di equipartizione dell’energia 635

18.9 Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche di un gas 639


Respirometria 643

RIEPILOGO 644

PROBLEMI 646

19 Secondo principio della termodinamica

19.1 Macchine termiche e secondo principio della termodinamica 654

19.2 Macchine refrigeranti e secondo principio della termodinamica 658

19.3 Macchina di Carnot 661

19.4 Pompe di calore 667

19.5 Irreversibilità, disordine ed entropia 669

19.6 Entropia e capacità di compiere lavoro 676

19.7 Entropia e probabilità 677


L’eterna ricerca del moto perpetuo 679

RIEPILOGO 680

PROBLEMI 681

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indice 25-03-2009 10:44 Pagina IX

20 Processi termici e relative proprietà

20.1 Dilatazione termica 690

20.2 Equazione di van der Waals e isoterme liquido-vapore 694

20.3 Diagrammi di fase 697

20.4 Trasmissione di calore 698


Isole di calore: notti calde in città 710

RIEPILOGO 711

PROBLEMI 712

APPENDICE A

Unità SI e fattori di conversione 717

APPENDICE B

Dati numerici 719

APPENDICE C

Tavola periodica degli elementi 723

Compendio di matematica 725

M.1 Cifre significative 725M.2 Equazioni 726M.3 Proporzionalità diretta e inversa 728M.4 Equazioni di primo grado (lineari) 729M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione 730M.6 Potenze e logaritmi 732M.7 Geometria 735M.8 Trigonometria 736M.9 Sviluppo binomiale 742M.10 Numeri complessi 743M.11 Calcolo differenziale 745M.12 Calcolo integrale 752

Risposte ai problemi di fine capitolo

con numerazione dispari 755

Indice analitico 779

Tavole 787

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indice 19-03-2009 14:57 Pagina X

Indice

Prefazione IX

Parte IV • ELETTROMAGNETISMO

21 Il campo elettrico:distribuzioni discrete di carica

21.1 La carica 718

21.2 Conduttori e isolanti 721

21.3 La legge di Coulomb 723

21.4 Il campo elettrico 728

21.5 Linee di campo elettrico 735

21.6 Azione del campo elettrico sulle cariche 738


Vernici elettrostatiche in polvere 743

RIEPILOGO 744

PROBLEMI 745

22 Il campo elettrico:distribuzioni continue di carica

22.1 Calcolo del campo con la legge di Coulomb 752

22.2 La legge di Gauss 762

22.3 Uso della simmetria per calcolare con la legge di Gauss 766

22.4 Discontinuità di En 773

22.5 Carica e campo su superfici di conduttori 774

22.6 Equivalenza della legge di Gauss e della legge di Coulombin elettrostatica 777


Distribuzioni di carica e sensazioni piccanti 778

RIEPILOGO 779

PROBLEMI 780

ES

ES

*


23 Il potenziale elettrico

23.1 Differenza di potenziale 788

23.2 Potenziale dovuto a un sistema di cariche puntiformi 791

23.3 Calcolo del campo elettrico dal potenziale 796

23.4 Calcolo di V per distribuzioni continue di carica 797

23.5 Superfici equipotenziali 805

23.6 Energia potenziale elettrostatica 811


I fulmini: campi di attrazione 815

RIEPILOGO 816

PROBLEMI 818

24 Capacità

24.1 Capacità e condensatori 826

24.2 L’immagazzinamento dell’energia elettrica 830

24.3 Condensatori, batterie e circuiti 834

24.4 Dielettrici 841

24.5 I dielettrici dal punto di vista molecolare 848


L’evoluzione dei condensatori 852

RIEPILOGO 853

PROBLEMI 855

25 Corrente elettrica e circuiti a corrente continua

25.1 La corrente e il moto delle cariche 864

25.2 Resistenza e legge di Ohm 868

25.3 Energia nei circuiti elettrici 873

25.4 Combinazioni di resistori 878

25.5 Leggi di Kirchhoff 884

25.6 Circuiti RC 892


I sistemi elettrici delle automobili: le innovazioni 898

RIEPILOGO 899

PROBLEMI 901

IV | Indice © 978-88-08-04881-3


26 Il campo magnetico

26.1 Forza esercitata dal campo magnetico 912

26.2 Moto di una carica puntiforme in un campo magnetico 916

26.3 Momenti su spire di corrente e magneti 924

26.4 Effetto Hall 928


Terra e Sole: variazioni del campo magnetico 932

RIEPILOGO 933

PROBLEMI 934

27 Sorgenti del campo magnetico

27.1 Campo magnetico dovuto a cariche puntiformi in moto 942

27.2 Campo magnetico dovuto a correnti: legge di Biot-Savart 943

27.3 Legge di Gauss per il magnetismo 956

27.4 Legge di Ampère 957

27.5 Il magnetismo nella materia 961


Solenoidi al lavoro 971

RIEPILOGO 972

PROBLEMI 974

28 Induzione magnetica

28.1 Il flusso magnetico 984

28.2 Fem indotta e legge di Faraday 985

28.3 Legge di Lenz 989

28.4 Fem mozionale 993

28.5 Le correnti parassite 998

28.6 Induttanza 998

28.7 Energia magnetica 1001

28.8 Circuiti RL 1003

28.9 Proprietà magnetiche dei superconduttori 1007


Le promesse dei superconduttori 1009

RIEPILOGO 1010

PROBLEMI 1011

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*


29 Circuiti a corrente alternata

29.1 Corrente alternata in un resistore 1020

29.2 Induttori e condensatori nei circuiti a corrente alternata 1023

29.3 Il trasformatore 1028

29.4 Circuiti LC e RLC senza generatore 1031

29.5 Fasori 1034

29.6 Circuiti RLC alimentati 1035


La distribuzione dell’energia elettrica 1043

RIEPILOGO 1044

PROBLEMI 1046

30 Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche

30.1 La corrente di spostamento di Maxwell 1054

30.2 Le equazioni di Maxwell 1057

30.3 Equazione d’onda per le onde elettromagnetiche 1058

30.4 Radiazione elettromagnetica 1064


Trasmissioni senza fili e frequenze utilizzabili 1073

RIEPILOGO 1074

PROBLEMI 1076

Parte V • LUCE

31 Proprietà della luce

31.1 Velocità della luce 1082

31.2 Propagazione della luce 1085

31.3 Riflessione e rifrazione 1086

31.4 Polarizzazione 1096

31.5 Derivazione delle leggi della riflessione e della rifrazione 1103

31.6 Dualità onda-particella 1105

31.7 Spettri della luce 1106

31.8 Sorgenti della luce 1107


Vortici ottici e pinze ottiche: la luce al lavoro 1114

RIEPILOGO 1115

PROBLEMI 1116

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*

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32 Formazione di immagini

32.1 Specchi 1124

32.2 Lenti 1134

32.3 Aberrazioni 1147

32.4 Strumenti ottici 1148


Evoluzione della chirurgia oculistica 1157

RIEPILOGO 1158

PROBLEMI 1160

33 Interferenza e diffrazione

33.1 Differenza di fase e coerenza 1168

33.2 Interferenza negli strati sottili 1169

33.3 Pattern d’interferenza per due fessure 1171

33.4 Pattern di diffrazione per una fessura singola 1175

33.5 Uso dei fasori per sommare onde armoniche 1178

33.6 Diffrazione di Fraunhofer e di Fresnel 1185

33.7 Diffrazione e risoluzione 1186

33.8 Reticoli di diffrazione 1188


Gli ologrammi: interferenza guidata 1191

RIEPILOGO 1192

PROBLEMI 1193

APPENDICE A

Unità SI e fattori di conversione A.1

APPENDICE B

Dati numerici A.3

APPENDICE C

Tavola periodica degli elementi A.6

Compendio di matematica A.9

M.1 Cifre significative A.9M.2 Equazioni A.10M.3 Proporzionalità diretta e inversa A.12M.4 Equazioni di primo grado (lineari) A.13M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14M.6 Potenze e logaritmi A.16M.7 Geometria A.19

© 978-88-08-04881-3 Indice | VII

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indice 11-09-2009 16:32 Pagina VII

M.8 Trigonometria A.20M.9 Sviluppo binomiale A.26M.10 Numeri complessi A.27M.11 Calcolo differenziale A.29M.12 Calcolo integrale A.36


con numerazione dispari A.39

Indice analitico A.59

Tavole A.68

VIII | Indice © 978-88-08-04881-3

indice 21-09-2009 10:35 Pagina VIII

Indice

Prefazione VII

Parte VI • FISICA MODERNA

34 Dualità onda-particella e fisica quantistica

34.1 Onde e particelle 1200

34.2 Luce: da Newton a Maxwell 1200

34.3 Natura particellare della luce: fotoni 1201

34.4 Quantizzazione dell’energia negli atomi 1206

34.5 Onde di elettroni e di materia 1207

34.6 Interpretazione della funzione d’onda 1211

34.7 Dualità onda-particella 1213

34.8 Una particella in una scatola 1215

34.9 Valori di aspettazione 1219

34.10 Quantizzazione dell’energia in altri sistemi 1222

RIEPILOGO 1224

PROBLEMI 1225

35 Applicazioni dell’equazione di Schrödinger

35.1 L’equazione di Schrödinger 1230

35.2 Singola particella in un potenziale finito a buca quadrata 1232

35.3 Oscillatore armonico 1234

35.4 Riflessione e trasmissione di onde di elettroni: penetrazione attraverso una barriera 1237

35.5 Equazione di Schrödinger in tre dimensioni 1243

35.6 Equazione di Schrödinger per due particelle identiche 1246

RIEPILOGO 1249

PROBLEMI 1250


36 Atomi

36.1 L’atomo 1254

36.2 Il modello di Bohr per l’atomo di idrogeno 1255

36.3 Teoria quantistica degli atomi 1260

36.4 Teoria quantistica dell’atomo di idrogeno 1262

36.5 Effetto spin-orbita e struttura fine 1267

36.6 La tavola periodica 1270

36.7 Spettri ottici e spettri dei raggi X 1277

RIEPILOGO 1281

PROBLEMI 1283

37 Molecole

37.1 Legami molecolari 1288

37.2 Molecole poliatomiche 1295

37.3 Livelli energetici e spettri di molecole biatomiche 1297

RIEPILOGO 1304

PROBLEMI 1305

38 Solidi

38.1 Struttura dei solidi 1308

38.2 Descrizione microscopica della conduzione 1312

38.3 Elettroni liberi in un solido 1315

38.4 Teoria quantistica della conduzione elettrica 1322

38.5 Teoria a bande dei solidi 1323

38.6 Semiconduttori 1325

38.7 Giunzioni e dispositivi a semiconduttore 1327

38.8 Superconduttività 1331

38.9 Distribuzioni di Fermi-Dirac 1335

RIEPILOGO 1339

PROBLEMI 1341

IV | Indice © 978-88-08-24882-4


39 Relatività

39.1 Relatività newtoniana 1346

39.2 Postulati di Einstein 1347

39.3 Trasformazione di Lorentz 1348

39.4 Sincronizzazione degli orologi e simultaneità 1356

39.5 Trasformazione della velocità 1362

39.6 Momento relativistico 1366

39.7 Energia relativistica 1367

39.8 Relatività generale 1374

RIEPILOGO 1377

PROBLEMI 1378

40 Fisica nucleare

40.1 Proprietà dei nuclei 1384

40.2 Radioattività 1388

40.3 Reazioni nucleari 1395

40.4 Fissione e fusione 1398

RIEPILOGO 1409

PROBLEMI 1410

41 Particelle elementari e origine dell’universo

41.1 Adroni e leptoni 1416

41.2 Spin e antiparticelle 1419

41.3 Leggi di conservazione 1422

41.4 Quark 1426

41.5 Particelle di campo 1429

41.6 Teoria elettrodebole 1430

41.7 Modello standard 1430

41.8 Evoluzione dell’universo 1432

RIEPILOGO 1435

PROBLEMI 1436

© 978-88-08-24882-4 Indice | V


APPENDICE A

Unità SI e fattori di conversione A.1

APPENDICE B

Dati numerici A.3

APPENDICE C

Tavola periodica degli elementi A.6

Compendio di matematica A.9

M.1 Cifre significative A.9M.2 Equazioni A.10M.3 Proporzionalità diretta e inversa A.12M.4 Equazioni di primo grado (lineari) A.13M.5 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14M.6 Potenze e logaritmi A.16M.7 Geometria A.19M.8 Trigonometria A.20M.9 Sviluppo binomiale A.26M.10 Numeri complessi A.27M.11 Calcolo differenziale A.29M.12 Calcolo integrale A.36


con numerazione dispari A.39

Indice analitico A.45

Tavole A.50

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