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Giuseppina trifiletti. MECCANICA CLASSICA La meccanica classica descrive in modo sostanzialmente accurato gran parte dei fenomeni meccanici osservabili.

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1 giuseppina trifiletti

2 MECCANICA CLASSICA La meccanica classica descrive in modo sostanzialmente accurato gran parte dei fenomeni meccanici osservabili direttamente nella nostra vita quotidiana. Si osserva invece una considerevole discrepanza fra le previsioni della meccanica classica e gli esperimenti sia per sistemi nei quali le velocità in gioco sono paragonabili con la velocità della luce e sia per sistemi di dimensioni spaziali paragonabili a quelle atomiche o molecolari (per i quali la costante fondamentale con cui confrontarsi è la costante di Planck (6, Js). In questi casi la meccanica classica viene sostituita rispettivamente dalla meccanica relativistica e dalla meccanica quantistica.velocità della luceatomichemolecolaricostante Planckmeccanica relativisticameccanica quantistica

3 Principi della meccanica Newtoniana Principio di RelativitàPrincipio di Relatività: "Le leggi fisiche sono invarianti in tutti i sistemi di riferimento inerziali", cioè "le leggi fisiche sono invarianti per trasformazioni galileiane".sistemi di riferimento inerzialitrasformazioni galileiane La relatività generale usa invece come assunto un principio di relatività più generale, cioè che le leggi fisiche sono invarianti in ogni sistema di riferimento.relatività generale Principio di inerziaPrincipio di inerzia (primo principio della dinamica): "In un sistema inerziale, un corpo libero, cioè non sottoposto ad alcuna forza, dotato ad un certo istante di una certa velocità v, mantiene indefinitivamente il suo stato di moto rettilineo e uniforme". Questo principio è in realtà una conseguenza del principio di relatività, ma non vale il viceversa.

4 Secondo principio della dinamicaSecondo principio della dinamica: "Una forza impressa ad un corpo produce una variazione della sua quantità di moto proporzionale alla forza e nella sua stessa direzione", cioè. Nel caso di masse costanti il secondo principio ha una formulazione ridotta, che è quella più nota: "L'accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale alla forza da esso subita". La costante di proporzionalità tra la forza e l'accelerazione è proprio la massa inerziale del corpo. In simboli questo principio si riassume nella nota formula.forzaaccelerazionemassa inerziale Terzo principio della dinamicaTerzo principio della dinamica: in un sistema di riferimento inerziale, la quantità di moto e il momento angolare totale rispetto ad un polo fisso di un sistema materiale libero (cioè non sottoposto a forze esterne) si conservano. Da ciò discende il principio di azione e reazione:ad ogni azione corrisponde una reazione, uguale e contraria, agente sulla stessa retta di applicazione. Questa non è l'unica formulazione dei principi della meccanica newtoniana, ma ce ne sono altre perfettamente equivalenti.

5 TERMODINAMICA La termodinamica è quel ramo della fisica che studia il calore ed i suoi fenomeni ed in particolar modo il comportamento dei gas, cioè sistemi che contengono un numero enormemente alto di particelle. Così come la dinamica studia le cause del moto dei corpi, la termodinamica descrive il comportamento dei gas dal punto di vista macroscopico: linsieme delle particelle che lo formano. La storia della termodinamica non è legata a scoperte scientifiche, individuazione di leggi fisiche e principi ma a tutta una serie di innovazioni tecnologiche che sfruttavano conoscenze empiriche del calore. Linvenzione della macchina a vapore ed i successivi tentativi per migliorarne le prestazioni impongono alla fisica lo studio del calore con tutto quello che ne consegue. Per arrivare allinvenzione della macchina a vapore il cammino è tortuoso e tocca varie branche della fisica e si dipana, in un certo qual modo, attraverso i secoli.

6 La proprietà dell'ambra strofinata di attirare oggetti leggeri era probabilmente già nota al filosofo greco Talete di Mileto, intorno al 600 a.C. Negli scritti di Teofrasto, che risalgono a tre secoli dopo, vengono citati altri materiali che godono della stessa proprietà. Tuttavia il primo studio scientifico dei fenomeni elettrici e magnetici apparve solo nel 1600 d.C., quando furono pubblicate le ricerche del fisico britannico William Gilbert. ELETTRICITÀ

7 A sua volta, nel corso del famoso esperimento con l'aquilone, Benjamin Franklin provò che l'elettricità atmosferica, responsabile della produzione dei tuoni e dei fulmini, è identica alla carica elettrostatica di una bottiglia di Leida. Franklin elaborò una teoria secondo la quale l'elettricità sarebbe un "fluido" presente in tutta la materia, ipotizzando così che i due stati di elettrizzazione di un corpo sarebbero dovuti all'eccesso o alla carenza di tale fluido. La legge secondo cui la forza esercitata tra cariche elettriche è proporzionale all'inverso del quadrato della loro distanza fu provata sperimentalmente intorno al 1766 dal chimico britannico Joseph Priestley.

8 La teoria elettronica, che è la base della moderna teoria dell'elettricità, fu enunciata nel 1892 dal fisico danese Hendrik Antoon Lorentz, mentre la prima misura accurata della carica dell'elettrone fu ottenuta nel 1909 dal fisico statunitense Robert Andrews Millikan. L'uso generalizzato dell'elettricità come sorgente di energia è dovuto in gran parte al lavoro pionieristico di inventori e tecnologi come Thomas Alva Edison, Nikola Tesla e Charles Proteus Steinmetz.

9 MAGNETISMO Come le forze di natura elettrica, così anche le forze magnetiche sono conosciute da tempi remoti. Come le forze elettriche anche le forze magnetiche possono essere sia attrattive che repulsive. Il nome MAGNETE proviene dallantica città di Magnesia nellAsia Minore, presso la quale veniva estratto il materiale di ferro naturalmente magnetizzato.

10 I Cinesi scoprirono che un ago magnetizzato ha la tendenza ad orientarsi verso nella direzione NORD-SUD e questo portò alla costruzione della bussola. Questa si diffuse nel mMediterraneo verso il William Gilbert, nel 1600, introdusse lidea che la Terra sia un gigantesco manete. Da Gilbert in poiil magnetismo fu studiato in modo sistematico.

11 I poli magnetici sono inseparabili Lesperimento di Oersted: una corrente esercita una forza su un magnete. Formula di Ampere: interazione tra due fili percorsi da corrente. Se si può avere interazione tra magnete e magnete, tra magnete e corrente, è ragionevole ipotizzare anche linterazione tra corrente e corrente. Una corrente elettrica produce un campo magnetico

12 TEOREMA DI EQUIVALENZA DI AMPERE Una spira, percorsa da corrente, è come un magnete. Lipotesi delle correnti microscopiche di Ampere spiega i risultati dellesperimento di Oersted. Il filo percorso da corrente esercita una forza sul magnete dato che la corrente produce un campo magnetico.

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14 Lazione meccanica di un campo magnetico si manifesta sulle correnti elettriche, cioè sulle cariche elettriche in movimento. In modo analogo si può osservare che tutti i campi magnetici sono prodotti da cariche elettriche in moto. LELETTRODINAMICA interazione fra cariche in movimento La legge di Coulomb che descrive linterazione fra cariche in quiete è la formula fondamentale dellelettrostatica, così come la formula di Ampere che descrive linterazione tra fili percorsi da corrente è la formula fondamentale dellelettrodinamica.

15 La forza di Lorentz Il campo magnetico è prodotto solo da cariche in movimento e agisce solo su cariche in movimento. Nella formula dllla Forza di Lorentz compare la velocità della carica. Questo è un problema. Tale velocità deve essere misurata rispetto a particolare osservatore oppure in accordo con il principio di relatività è possibile dare allelettrodinamica una formulazione valida per tutti i sistemi di riferimento?

16 È stata stabilita per una carica in quiete, che cosa ci assicura che essa vale anche per una carica in moto? Una carica elettrica assume lo stesso valore rispetto a tutti gli osservatori inerziali: invarianza relativistica della carica elettrica

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19 il magnetismo ? un fenomeno relativistico

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21 campi elettrici e magnetici variabili nel tempo Abbiamo visto come vero il 1830, in seguito alle scoperte fondamentali di Coulomb, Volta, Oersted e Ampere, si sia giunti a una teoria unificata dei fenomeni elettrici e magnetici. Tale teoria però si applica solamente a campi elettrici e magnetici costanti nel tempo. La scoperta della corrente indotta Dal 1824 Faraday si dedicò ad una serie di esperimenti per capire se, dato che una corrente genera un campo magnetico, anche un magnete potesse generare una corrente. UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE POTEVA PRODURRE UNA CORRENTE. Per la prima volta una corrente continua veniva prodotta senza ricorrere a una pila (la dinamo di Faraday).

22 perché la realtà fisica è il campo elettromagnetico? La distinzione tra campo elettrico e campo magnetico si riduce ad una semplice questione di sistema di riferimento. Se la carica è in moto e il magnete è in quiete, diremo che sulla carica agisce una forza magnetica, se invece la carica è in quiete e il magnete in moto daremo della stessa forza una spiegazione in termini di campo elettrico: un magnete in movimento è visto dalle cariche come se fosse una carica. campo elettrico e campo magnetico non sono che nomi convenzionali utili per indicare due aspetti differenti di ununica realtà fisica: il campo elettromagnetico.

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25 Un importante contributo allo studio dell'elettricità fu l'opera del fisico-matematico britannico James Clerk Maxwell, il quale sviluppò la teoria della luce come radiazione elettromagnetica e formulò le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, oggi note come equazioni di Maxwell. La conferma della validità della sua teoria si ebbe con le ricerche del fisico tedesco Heinrich Hertz, che nel 1886 riuscì a produrre e a rivelare le onde elettromagnetiche presenti nell'atmosfera, e dell'ingegnere italiano Guglielmo Marconi, il quale nel 1896 sfruttò queste onde per realizzare il primo sistema pratico di comunicazione radio. LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

26 ONDE ELETTROMAGNETICHE Variazioni di campi elettrici e magnetici Il campo magnetico indotto prodotto da un campo elettrico variabile, produce a sua volta un campo elettrico variabile che da origine a un nuovo campo magnetico variabile, e così via allinfinito …

27 La luce è unonda elettromagnetica che si propaga nelletere Maxwell trovò, con i suoi calcoli, che la velocità con cui le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto era pari alla velocità della luce. Il problema della velocità della luce che aveva sfidato gli sforzi dei più grandi scienziati di ogni epoca trovava così la soluzione. Lottica confluiva nella teoria dell elettromagnetismo. Maxwell era legato alla concezione materiale delle onde: come tutti gli uomini del suo tempo egli pensava che non potessero esserci onde senza un mezzo di propagazione.

28 Il trionfo mancato della fisica classica

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31 Allinizio dellOttocento la meccanica classica appariva il fondamento di tutta la fisica, se non di tutta la scienza. Tuttavia, nella seconda metà del secolo, lelettrodinamica di Maxwell e la termodinamica di Clausius diventarono settori indipendenti della fisica. Il concetto di campo, emerso dallelettromagnetismo, ed il concetto di entropia, emerso dalla termodinamica, potevano essere interpretati in senso meccanico ma avevano senso in se stessi.

32 Quindi, verso la fine dellOttocento, la fisica classica risultava costituita da tre aree distinte ma connesse: meccanica, termodinamica ed elettromagnetismo. Nelle tre zone di confine si concentravano problemi controversi: le soluzioni date allinterno di una area non erano compatibili con le soluzioni date allinterno dellarea confinante.

33 I grandi fisici del tempo, Wilhelm Wien, Max Planck, Hendrik Antoon Lorentz, Henri Poincaré e Ludwig Boltzmann, affrontarono alcuni di questi problemi al confine, offrendo risposte significative. Ancora più significativo è che tutti gli articoli che il giovane Albert Einstein pubblicò nel 1905 offrirono risposte a ciascuno di questi problemi. confine meccanica/elettromagnetismo (principio di relatività) confine meccanica/termodinamica (moto browniano) confine termodinamica/elettromagnetismo (radiazione del corpo nero)

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35 IL CORPO NERO In fisica un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente (e quindi non ne riflette). Nonostante il nome, il corpo nero irradia comunque, e deve il suo nome solo all'assenza di riflessione. Lo spettro (intensità della radiazione emessa ad ogni lunghezza d'onda) di un corpo nero è caratteristico, e dipende unicamente dalla sua temperatura.fisicaradiazione elettromagneticaspettrotemperatura La luce emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero. La differenza tra lo spettro di un oggetto e quello di un corpo nero ideale permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto. Un corpo nero è un radiatore ideale, emettendo il maggior flusso possibile per unità di superficie, ad ogni lunghezza d'onda per ogni data temperatura. Un corpo nero inoltre, assorbe tutta l'energia radiante incidente su di esso: ovvero nessuna energia viene riflessa o trasmessa.

36 PLANCK e EINSTEIN

37 I QUANTI DI ENERGIA Nella storia della fisica del XX secolo la scoperta del quanto d'energia e della discontinuità quantistica ha segnato l'inizio di quello straordinario processo di sviluppo, che a buon diritto può esser definito "rivoluzione quantistica", che ha trasformato profondamente ed in modo permanente la nostra immagine del mondo fisico. Tradizionalmente, la nascita della teoria quantistica viene collegata alla dimostrazione presentata da Planck alla Società Tedesca di Fisica, durante la seduta del 14 Dicembre 1900, della famosa formula della radiazione termica. Per ottenere la sua fondamentale dimostrazione, Planck aveva dovuto introdurre l'ipotesi che l'energia potesse assumere valori discreti, e questo viene considerato l'inizio della teoria quantistica.

38 Mentre l'interpretazione convenzionale da sempre attribuisce a Planck il pieno merito di aver posto le basi della teoria quantistica, una tesi alternativa – avanzata oltre venticinque anni fa dallo storico della scienza Thomas Kuhn e riproposta di recente sulla scorta di nuovi elementi – ne ha messo in ombra il lavoro e i risultati, sostenendo che la teoria quantistica non nacque in quel famoso giorno di dicembre del 1900, ma quando Einstein presentò l'ipotesi dei quanti di luce, nel marzo del suo "annus mirabilis" 1905, poco più di cento anni fa. i quanti di luce

39 La verità storica dice che la catastrofe ultravioletta non ebbe alcun ruolo nelle prime fasi di sviluppo della teoria quantistica. Come ha giustamente osservato Giorgio Parisi, «il fatto che la meccanica classica porta alla cosiddetta catastrofe ultravioletta fu scoperto solo alcuni anni dopo l'articolo di Planck e non viceversa, come suggerito dal folklore usuale» Fu l'opera di Einstein sulla teoria dei quanti di luce (o fotoni) del marzo 1905 a segnare una svolta, perché aprì una nuova via di ricerca che venne percorsa da numerosissimi fisici, malgrado l'iniziale scetticismo di molti (fra cui lo stesso Planck). L'intervento del giovane Einstein – aveva allora, nel 1905, appena ventisei anni - si rivelò decisivo. Egli fu il primo a riconoscere la distanza che separava le nuove acquisizioni dalla fisica allora accettata.

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41 i concetti sono matematici le idee sono matematiche si può tentare di descrivere i contenuti delle teorie fisiche in termini di linguaggio comune, di disegni e di analogie, ma tutto ciò è soltanto una metafora.

42 E opportuno cercare di divulgare i concetti scientifici, ma deve sempre essere chiaro che ogni divulgazione non può essere altro che una qualche, più o meno riuscita, metafora. La sostanza dei concetti in gioco è di natura matematica e trova adeguata espressione solo allinterno del formalismo matematico.

43 Idee tratte da CORSO DI FISICA per i licei scientifici Caldirola, Casati, Tealdi ghisetti e corvi editori Siti internet di qualche università (di Torino, di Roma ….)


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