FISICA

MECCANICA

FISICA DELLE PARTICELLE

OTTICA

TERMODINAMICA

ASTROFISICA E

COSMOLOGIA

BIOFISICA

GEOFISICAELETTROMAGNETISMO

studia i fenomeni luminosi, cioè quelli relativi al comportamento delle radiazioni che impressionano

l'occhio (radiazioni ottiche) o, più in generale, quelli relativi al comportamento di tutte le radiazioni elettromagnetiche

OTTICA

RIFLESSIONI

MULTIPLE

Quante immagini virtuali di uno stesso oggetto (per esempio una candela) interposto tra i due specchi si formano?

Come si formano le immagini riflesse da due specchi?Posiziona un oggetto fra i due specchi paralleli

…

Quante immagini osservi?

L’oggetto posto tra due specchi paralleli si riflette all’infinito, producendo due sequenze di immagini che si alternano (la parte anteriore e la parte posteriore dell’oggetto):

Prova a spostare i due specchi in modo che fra di loro si formino angoli di: 90° …

60° …

Si osserva che al diminuire dell’angolo tra i due specchi cresce il

numero delle immagini.Indicando con N il numero di "cose viste"

N = n° immagini + 1 (s’include nel conteggio anche l’oggetto)

si ha un collegamento tra l’angolo α compreso tra gli specchi e

N, che è anche il numero dei lati dei poligoni regolari ottenuti se α è sottomultiplo di 360°.

Si ha che:N = 360° / angolo α tra gli specchi

Tra due specchi paralleli (angolo tra gli specchi uguale a zero) si

sviluppa una successione di immagini tendente a infinito

SCHEMA GRAFICO

S1S1’

I5s2

’

S2

60°

I2

I1I3

P

I4

P: oggetto

S1 e S2: tracce degli specchi I1, I2 e I3: immagini formate da S1 ed S1’

S1’ e S2’: tracce dei prolungamenti degli specchi I4, e I5: immagini formate da S2 ed S2’

La branca della fisica più antica è la meccanica, cioè lo studio del movimento; ha una teoria molto

sviluppata e fa uso di matematiche eleganti. Fa parte della meccanica lo studio dei sistemi caotici,

cioè quei sistemi per i quali basta un piccolo cambiamento per modificare significativamente la loro evoluzione. I fluidi ne sono un esempio; non a caso la teoria del caos è legata storicamente a un

problema meteorologico:<<Può il batter d’ali di una farfalla in Brasile provocare un tornado in Texas?>>

MECCANICA

UN TUFFO… NELLA FISICA DEI LIQUIDI

“

In natura esistono vari stati di aggregazione della materia: quello solido, quello liquido, quello gassoso. Questi stati (o fasi) non sono però statici, ma anzi esiste la possibilità la materia subisca una trasformazione e che cambi fase a una determinata temperatura e pressione. Ecco alcuni esempi di cambiamenti di fase nel caso dell’acqua (H2O)

I l l iquido: uno degl i stati del la mater ia

Sebbene l’acqua ci circondi, sebbene abbiamo a che fare con essa ogni giorno, spesso non siamo a conoscenza delle spiegazioni di alcuni fenomeni che ci sono estremamente familiari. Per esempio:

1) Come mai quando chiudiamo lentamente il rubinetto l’acqua dopo un po’ fa la goccia e non “il pisciolo” sempre più sottile?

2) Come è possibile che un ago d’acciaio riesca a galleggiare sull’acqua?

La chimica dell’acquaLa tavola periodica

La tavola periodica è un efficace strumento che raggruppa tutti gli elementi esistenti in GRUPPI (identificati dalle colonne della tavola) e PERIODI (identificati dalle righe trasversali della tavola); è nelle prime due righe che si addensano gli elementi più importanti per la vita ed è proprio in esse che troviamo gli elementi costitutivi dell’acqua, cioè OSSIGENO E IDROGENO.

L’ossigeno è un elemento molto elettronegativo (cioè “vorace” di elettroni) che per completare l’ultimo orbitale di valenza e raggiungere struttura simile a quella del Neon, gas nobile a lui simile, ha bisogno di due elettroni. L’idrogeno è meno elettronegativo dell’ossigeno ed è per questo che tende a cedergli l’unico elettrone che ha: nel caso dell’acqua li cede proprio all’ossigeno formando una molecola (la differenza di elettronegatività non è altissima, quindi l’ossigeno non ce la fa a strappare gli elettroni all’idrogeno).

La molecola che si forma, pur essendo elettricamente neutra, ha un’alta costante dipolare (ed infatti una delle caratteristiche dell’acqua è quella di essere un buon solvente)

(*) Il neon è detto nobile non perchè ha "le palle sullo stemma", ma perchè, essendo completo, non reagisce con nessuno, è inerte

Avvicinando due molecole d’acqua queste si dispongono in modo da avere a contatto gli idrogeni di una molecola con l’ossigeno dell’altra. Si ha perciò tra le due molecole una forza intermolecolare che per valori minori al raggio della molecola è positiva (forza repulsiva) mentre per valori maggiori è negativa (forza attrattiva).

La forza attrattiva tende a 0 quando r > circa 300 volte il raggio della molecola.

La molecola 1 (in figura) esercita quindi un sistema di forze di attrazione su tutte le molecole che si trovano intorno ad essa fino a circa trecento volte il suo raggio (quella in azzurro è quindi la sua “sfera di influenza”). Per il principio di azione e reazione le altre molecole esercitano su di essa un sistema di forze uguale e contrario. Nel caso della molecola 2 (in figura) , che si trova in prossimità della superficie, viene a mancare l’equilibrio (parte della “sfera di influenza” è occupata dall’aria e non dall’ acqua). Le molecole sulla superficie sono quindi maggiormente attratte verso l’interno: si crea la forza di

TENSIONE SUPERFICIALE.

TENSIONE SUPERFICIALE

Si prenda una bacinella piena di acqua, si adagi una graffetta o una lametta da barba delicatamente sulla superficie dell'acqua si nota che questi oggetti galleggiano. Perché la cosa si noti meglio è preferibile porre gli oggetti su di un pezzo di carta assorbente e poi adagiarli sulla superficie dell'acqua. Dopo pochi secondi, la carta assorbente affonda mentre gli oggetti continuano a galleggiare. Se si osserva attentamente la superficie dell'acqua, si nota che l'oggetto è adagiato in una lieve depressione: la superficie dell'acqua si comporta come se fosse ricoperta da un sottile strato di "pelle"elastica. In natura si trovano anche degli insetti che sfruttano questa proprietà dell'acqua per potersi spostare e rimangono in equilibrio sulla superficie dell'acqua.

VERIFICHIAMO CON UN ESPERIMENTO che la superficie dell'acqua si comporta come se fosse ricoperta da un sottile strato di "pelle" elastica

SPIEGAZIONE DEL FENOMENO

COSA SUCCEDE SE nell'acqua su cui galleggia il nostro oggetto introduciamo alcune gocce di soluzione saponata, o di alcool ?

Si osserva che l'oggetto affonda. Questo perché la soluzione saponata, l'alcool e i detersivi in genere provocano una rottura della pelle e quindi riducono la possibilità di galleggiamento.Infatti una molecola di sapone o di un tensioattivo qualsiasi è formata da una lunga catena idrocarburica apolare attaccata ad un gruppo fortemente polare. Quando queste molecole di sapone vengono a trovarsi in un mezzo acquoso tendono a migrare alla superficie e a orientarsi in modo che le loro estremità apolari vengono a trovarsi fuori dal mezzo. La superficie dell'acqua viene quindi a trovarsi ricoperta quasi completamente da uno strato apolare che riduce drasticamente la sua tensione superficiale. Si può immaginare che queste code di molecole di sapone buchino la superficie dell'acqua facendo si che gli oggetti che prima galleggiavano ora affondino.

Misura della tensione superficiale τ

Anello di metallo al momento del distacco dall’acqua; A-> forza peso dell’anello ; B-> forza di tensione superficiale (agisce solo in prossimità della superficie)

La forza di Archimede è praticamente ininfluente, visto che la parte immersa dell’anello è piccolissima

- Attacchiamo un anello al dinamometro e leggiamo la misura della forza peso relativa all’anello stesso (F1)- Solleviamo lentamente l’anello fino a che la parte inferiore non raggiunge il pelo dell’acqua e leggiamo ancora una

volta la forza misurata dal dinamometro: vedremo che è aumentata di molto (F2)- Solleviamo ancora l’anello e noteremo il netto “distacco” di esso dall’acqua.

124 FFr

r

FF

412

Esperimento sulla tensione superficialeStrumenti usati:

• Dinamometro (portata 0,1N)

• Becher• Calibro• Tensimetro• Piedistallo

regolabile

Utilizziamo la formula:

F1 è il peso dell’anello fuori dall’acqua

F2 è il peso dell’anello misurato nel momento precedente al distacco

R1 è il raggio interno dell’anelloR2 è il raggio esterno dell’anello

)(2

)(

21

12

rr

FF

Sono stati ottenuti i seguenti dati:

F1= 0,058 N ΔF= 0,02 NF2= 0,078 N

R1= 2,9 cm 0,029 mR2= 3,0 cm 0,030 m

m

N

m

N 31054059,02

02,0

Argomento: le bolle di saponeROMPIAMO LA MEMBRANA! (O NO?)

Materiale•1 cannuccia da bibita•1 forbice•60 cm di filo da cucito•acqua•detersivo liquido per piatti •1 bacinella•1 caraffa con un po' d'acqua

Procedimento•taglia a metà la cannuccia•inserisci il filo nelle due mezze cannucce e annoda le due estremità: otterrai un telaio come quello mostrato in figura•crea la tua soluzione saponosa: versa nella bacinella acqua e detersivo in quantità opportune (fai vari tentativi!) e cerca di evitare la formazione di schiuma sulla superficie del liquido•immergi il telaio nella soluzione, toglilo e aprilo lentamente in posizione orizzontale •ora chiedi ad un tuo amico di versare lentamente all'interno del telaio l'acqua contenuta nella caraffa: cosa succede?•aspetta un po' di tempo prima di utilizzare la soluzione: più tempo passa, più il liquido migliora

Spiegazione (cenni)Il fatto che la membrana si rompa oppure no, è dovuto alla relazione tra la tensione superficiale della soluzione saponosa e quella del liquido che versi sulla membrana stessa: utilizzando liquidi che contengono acqua (acqua, vino, aranciata), o che sono chimicamente simili al sapone (ad esempio l'olio), la membrana non si rompe.

“

ALTRE

La spinta idrostaticaUn dinamometro a cui è appeso un corpo misura una diminuzione della forza necessaria a sostenere il peso del corpo quando esso viene immerso in acqua. L’entità della diminuzione varia se si cambia il liquido in cui il corpo è immerso. La diminuzione apparente del peso è causata da una forza in verso opposto, esercitata dal liquido sul corpo. Tale forza è prodotta da ogni fluido e cresce con la sua densità.

Galleggiamento di solidi in liquidiOvetti identici (di stessa forma e stesso volume) si collocano spontaneamente a diverse profondità di immersione in una vaschetta d’acqua. Un corpo galleggia se il suo peso è equilibrato dalla spinta idrostatica. Gli ovetti hanno contenuti diversi. La frazione di volume immersa esprime la densità del solido relativa al liquido e quindi l’entità della spinta idrostatica rispetto al peso di ciascun ovetto.

Galleggiamento di liquidi in liquidi: Liquidi che stratificano

Materiale• Bilancia• 3 cilindri graduati• 1 provetta• Olio• Acqua• Alcol denaturato• Sciroppo di menta

ProcedimentoVerificare se esiste una correlazione tra la densità di alcuni liquidi e la loro disposizione in una provetta.• Misura la massa di un cilindro graduato prima vuoto, poi con circa 50 cm³ di acqua colorata con lo sciroppo dimenta e leggine accuratamente il volume. Ricava per differenza la massa della soluzione acquosa e determinane la densità.• Determina nello stesso modo la densità dell’olio.• Determina nello stesso modo la densità dell’alcol.• Versa nella provetta un po' di acqua colorata, poi aggiungi adagio un po' di olio, facendolo colare lungo le pareti e senza agitare, ed infine aggiungi l’alcol (le quantità devono essere circa uguali). Lascia riposare. In che modo si separano i 3 liquidi? C’è qualche correlazione tra la densità dei liquidi e la loro disposizione nella provetta?

Galleggiamento di liquidi in liquidiLiquidi diversi, contenuti in uno stesso recipiente, sono sovrapposti l’uno all’altro. I liquidi sono insolubili e hanno diversa densità. Si dispongono in base a valori crescenti di densità, dall’alto verso il basso.

OBIETTIVO : Determinare la relazione tra pressione idrostatica e profondità del liquido.CONOSCENZE : La pressione idrostatica è la pressione che un liquido esercita sulla base del recipiente che lo contiene.

MATERIALE:•Bottiglia di plastica •Nastro adesivo,chiodo•acqua

PROCEDIMENTO : Prendiamo una bottiglia di plastica vuota e con un chiodo pratichiamo tre fori allineati verticalmente; chiudiamo i fori con del nastro adesivo e riempiamo la bottiglia con l’acqua. Togliamo il nastro adesivo e osserviamo.OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI : l’acqua fuoriesce dai fori con pressione diversa; in particolare il getto basso ha una pressione maggiore rispetto agli altri: il liquido zampilla con una gittata tanto maggiore quanto maggiore è la profondità del foro. La pressione idrostatica aumenta all’aumentare della profondità del liquido.

LA PRESSIONE IDROSTATICA: LA BOTTIGLIA FORATA

Il principio di Pascal con una bottigliaUna corona di fori in una bottiglia di plastica genera degli zampilli in tutte le direzioni, il cui getto arriva alla stessa distanza dalla bottiglia.A parità di quota la pressione all'interno del fluido è uguale in tutte le direzioni.

Moto di una bolla d’aria inun liquido.

1) In questo caso si riempie un tubo trasparente con dell’acqua, lasciando una piccola quantità d’aria prima di tappare la parte superiore del tubo.

2) Sul tubo sono messi dei riferimenti equidistanti necessari per misurare i tempi di risalita, operazione che si può effettuare con un cronometro perché anche in questo caso le velocità sono relativamente basse.

3) Se il tubo è mantenuto con un’inclinazione fissa, la bolla d’aria risale con moto uniforme .

Anche in questo caso le forze in gioco sono tre: il peso della bolla, la spinta di Archimede e la forza viscosa. Dopo una breve fase iniziale, queste tre forze si equilibrano e la bolla risale a velocità costante. Le velocità della bolla possono essere cambiate variando o l’inclinazione del tubo o la grandezza della bolla d’aria o il tipo di liquido.

PROCEDIMENTO

L’elettromagnetismo completa il quadro della fisica classica e ne costituisce, insieme alla meccanica, uno dei grandi pilastri. Si occupa delle forze elettriche e magnetiche e delle loro strettissime relazioni.

ELETTROMAGNETISMO

Elettrizzazione per strofinioUn perno verticale costituito da uno spillo piantato in un cuscinetto di pezza sostiene una cannuccia di plastica girevole. Si strofina una parte della cannuccia con un panno di lana e si avvicinano ad essa altri corpi, uno alla volta, anch’essi strofinati. Si nota che la cannuccia talvolta gira avvicinandosi al corpo e talaltra gira in senso contrario.

Argomento: energia in mostra

"L'EFFETTO DELL'AMBRA"

Materiale •1 righello di plastica •un panno di lana (o un maglione)•acqua corrente

Procedimento •strofina il righello con la lana•avvicinalo ad un filo d'acqua che scorre da un rubinetto: cosa succede? (Il filo d'acqua viene deviato e si incurva)Spiegazione (cenni)Quando lo strofini con la lana, il righello acquista elettroni e si carica negativamente. Se lo avvicini all'acqua, alcuni elettroni che si trovano negli atomi delle molecole d'acqua, vengono respinti, cosicché la superficie dell'acqua vicina al righello si carica positivamente e viene attratta dal righello stesso.  IL RIZZACAPELLI

Materiale •1 palloncino

Procedimento •gonfia il palloncino•strofinalo sulla tua testa •allontanalo dai tuoi capelli tenendolo però sopra la tua testa: cosa succede? (I capelli si sollevano e si rizzano)

Spiegazione (cenni)Quando strofini il palloncino sulla tua testa, esso si carica negativamente. I capelli che gli hanno ceduto gli elettroni, nello strofinio, sono ora carichi positivamente, pertanto sono attratti dal palloncino e tenderanno a seguirlo se lo solleverai

Conduttività elettrica del corpo umanoUna pila da 4,5 V è collegata a due elettrodi costituiti da due placche di rame. In uno dei fili di collegamento è inserito un tester. Se una persona tiene in ciascuna mano un elettrodo, chiudendo così il circuito, il tester segnala passaggio di corrente, indicando in tal modo che anche il corpo umano conduce corrente. Si possono formare catene di più persone che si tengono per mano e si ha passaggio di corrente.

TERMODINAMICALa termodinamica nasce , si sviluppa e si compie nel XIX secolo parallelamente alla rivoluzione industriale, durante la quale il calore iniziava a far muovere le macchine. Studia le trasformazioni di materia ed energia a livello molecolare e come sua applicazione più importante c’è la trasformazione del calore in movimento. La termodinamica è usata principalmente nella chimica e nelle applicazioni dell’ingegneria In una turbina il calore del vapore si trasforma nel movimento rotatorio dell’albero.

ASTROFISICA E COSMOLOGIA

A partire da una concezione antropocentrica, in cui la Terra e l’uomo erano centro immutabile di tutto abbiamo raggiunto una visione molto diversa del posto che occupiamo nella sconcertante vastità dell’Universo. Secondo la teoria del Big Bang tutto ciò che esiste è in fase di espansione a patire da uno stato estremamente caldo e denso. La materia, la radiazione e la loro interazione erano molto diverse da quelle che conosciamo ma i fisici riescono a studiare lo stesso grazie a teorie coerenti e rigorosi esperimenti.

FISICA DELLE PARTICELLE

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia. Talvolta viene anche usata l'espressione fisica delle alte energie, quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia e che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene usualmente con gli acceleratori di particelle.

BIOFISICA

Via via che la materia si organizza in livelli superiori, cresce il grado di complessità. Una giovane branca della fisica si occupa dei sistemi biologici e, tra essi, del sistema nervoso. Il nostro cervello è una potentissima rete di neuroni, cellule in grado di trasmettere segnali elettrici e di elaborarli come informazioni. La biofisica è una scienza di frontiera, in cui le conoscenze e gli strumenti acquisiti sono usati per spingersi oltre. Attraverso l’uso di modelli matematici possiamo avvicinarsi alla comprensione delle reti neurali biologiche.

GEOFISICA

Aria, acqua, terra e fuoco, sono questi gli elementi che interessano i geofisici: dallo studio dell’atmosfera, all’interno della Terra, dagli oceani al geomagnetismo. Il nostro pianeta produce un campo magnetico responsabile tra le altre cose delle magnifiche aurore boreali e australi. Le teorie per spiegare questo fenomeno sono molte. Si è propensi a pensare La Terra come una grande dinamo. La parte ionizzata dell’atmosfera terrestre interagisce con particelle cariche provenienti dal Sole, che si infittiscono lungo le linee del campo magnetico terrestre.