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FISICA Questo lavoro è redatto da: PROF. Salvatore MURANA Docente presso l’Istituto di Istruzione Superiore CARLO URBANI di ROMA Via dell’IDROSCALO 88.

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2 FISICA Questo lavoro è redatto da: PROF. Salvatore MURANA Docente presso l’Istituto di Istruzione Superiore CARLO URBANI di ROMA Via dell’IDROSCALO 88 Sede di ACILIA PER ENTRARE CLICCA QUIQUI Mail: Anno scolastico 2011/2012 (Aggiornato al 8/11 /2011)

3 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FRASI di PITAGORA Tutti gli insegnamenti delle scienze e delle arti sono buoni per raggiungere lo scopo se impartiti e ricevuti spontaneamente, ma se avvengono controvoglia riescono sterili ed inutili. Non devi aiutare uno a togliersi un peso, perché non bisogna far nascere pigrizia, ma devi aiutare a portarlo. Non camminare per vie frequentate, non seguire le opinioni dei più, ma quella dei pochi che sanno. Questo diceva Pitagora 2500 anni fa! Tu che ne pensi?

4 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PAGINA INIZIALE La fisica è una scienza sperimentale. Studia i seguenti argomenti: —Nozioni introduttive (Si occupa dei concetti di base di tutta la fisica)Nozioni introduttive —Meccanica (Si occupa del movimento dei corpi)Meccanica —Termologia (Si occupa di temperatura e calore)Termologia —Onde (Si occupa della propagazione a distanza delle perturbazioni)Onde —Ottica (Si occupa delle immagini ottenute tramite lenti e/o specchi)Ottica —Elettromagnetismo (si occupa dei fenomeni elettrici e magnetici)Elettromagnetismo —Altro

5 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 NOZIONI INTRODUTTIVE Prima di iniziare lo studio delle parti della FISICA dobbiamo introdurre i concetti di base necessari Grandezze fisiche Problemi inerenti la misura Errori di misura Relazioni di proporzionalità Stati di aggregazione della materia

6 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 GRANDEZZE FISICHE Si definisce GRANDEZZA FISICA una proprietà, di un corpo, (o di un punto, o di un fenomeno) che può essere misurata ESEMPI:misurata FORZA MASSA VELOCITA’ ALTEZZA PESO CONCETTI di BASE

7 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 GRANDEZZE SCALARI E VETTORIALI Le grandezze fisiche possono essere suddivise in due categorie: Grandezze scalari (o semplicemente SCALARI) se esse hanno un valore, ma non hanno né direzione né verso;Grandezze scalari Grandezze vettoriali (o semplicemente VETTORI). se esse hanno oltre che un valore anche una direzione ed un versoGrandezze vettoriali GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

8 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 GRANDEZZE SCALARI Gli SCALARI in fisica sono grandezze fisiche scalari ossia grandezze fisiche che hanno un valore, ma non hanno né direzione né verso. Con essi è possibile eseguire calcoli secondo le regole dell’algebra numerica. Sono grandezze scalari ad esempio: la massa, il volume, la durata, la temperatura, l’energia. SCALARI VETTORI GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

9 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 VETTORI Una grandezza fisica vettoriale viene chiamata semplicemente VETTORE. Un vettore è una grandezza fisica che oltre ad avere un valore ha anche una direzione ed un verso.valore direzioneverso La grandezza vettoriale viene rappresentata tramite una freccia che la stessa direzione e lo stesso verso del vettore ed una lunghezza proporzionale al valore del vettore stesso. Con essi è possibile eseguire calcoli secondo le regole dell’ALGEBRA VETTORIALE che è totalmente diversa dall’algebra numerica. Sono grandezze vettoriali ad esempio: lo spostamento, la velocità, la forza, l’accelerazione.ALGEBRA VETTORIALE SCALARI VETTORI GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

10 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 VALORE Il Valore (di una grandezza fisica) è chiamato anche Modulo o Intensità. Esso è la quantità numerica che indica quanto è grande la grandezza fisica considerata. Generalmente è formato da un numero seguito da una unità di misuraunità di misura VETTORI SCALARI VETTORI GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

11 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DIREZIONE La Direzione di una grandezza fisica vettoriale è la retta di azione della grandezza stessa, cioè la retta su cui giace, la retta lungo cui ha luogo. La Direzione può essere determinata tramite la pendenza (o inclinazione) rispetto agli assi di un sistema di assi cartesiani. Essa può essere indicata tramite l’angolo che essa forma con gli assi di riferimento. VETTORI SCALARI VETTORI GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

12 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 VERSO Il verso di una grandezza fisica vettoriale indica l’orientamento. Ad esempio: verso destra, verso sinistra, in avanti, all’indietro, verso alto, verso il basso VETTORI SCALARI VETTORI GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

13 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA MISURA Misurare significa confrontare la grandezza da misurare con un campione di grandezza chiamata UNITA’ DI MISURAUNITA’ DI MISURA La misura può essere effettuata con degli strumenti adeguati, che si chiamano STRUMENTI DI MISURA.STRUMENTI DI MISURA La misura è inevitabilmente affetta da approssimazione di misura detto ERRORE DI MISURAERRORE DI MISURA Le misure possono essere fatte in modo diretto o in modo indiretto (attraverso l’esecuzione di calcoli) GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

14 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 UNITA’ DI MISURA L’unità di misura è un campione di grandezza fisica che deve avere certe proprietà: Confrontabile con la grandezza da misurare Non deformabile (non deve cambiare nel tempo) Facilmente riproducibile (si deve poter fare copie esatte) Riconoscibile (tutti devono sapere il suo significato) Ogni paese usa un proprio sistema di unità di misura Il Sistema Internazionale (SI) è un sistema, di 7 unità di misura fondamentali, riconosciuto da tutti i paesi del mondo e viene utilizzato per le comunicazioni tra paesi diversiSistema Internazionale LA MISURA GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

15 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 STRUMENTI DI MISURA DIGITALI (con indicazione numerica tramite un certo numero di cifre) LA MISURA Ci sono 2 tipi di strumenti di misura: ANALOGICI(con indicatore ad indice o tramite tacche graduate) Qualunque sia il tipo di strumento esso si differenzia dal suo simile per le sue caratteristichecaratteristiche GRAN- DEZZE FISICHE CONCETTI di BASE

16 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA Ogni strumento di misura ha delle caratteristiche che lo differenziano dagli altri. Di queste caratteristiche è necessario tener conto per la scelta dello strumento da utilizzare. Le principali sono: SENSIBILITA’ INTERVALLO DI MISURA PORTATA PRONTEZZA LA MISURA CONCETTI di BASE STRUMENTI di MISURA

17 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SENSIBILITA’ di uno STRUMENTO di MISURA La sensibilità di uno strumento è la minima variazione (della grandezza) misurabile con quello strumento. Essa è la distanza tra il valore di una tacca e quello della tacca successiva. LA MISURA CONCETTI di BASE CARATTE- RISTICHE degli STRUMENTI di MISURA

18 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PORTATA di uno STRUMENTO di MISURA La portata è il MASSIMO valore misurabile con quello strumento LA MISURA CONCETTI di BASE CARATTE- RISTICHE degli STRUMENTI di MISURA

19 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 INTERVALLO di MISURA di uno STRUMENTO L’intervallo di misura indica il valore MINIMO ed il valore MASSIMO misurabile con quello strumento. Ad esempio un termometro clinico può avere un intervallo da 35 °C a 42 °C. STRUMENTI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE CARATTE- RISTICHE degli STRUMENTI

20 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRONTEZZA di uno STRUMENTO di MISURA La prontezza indica il TEMPO necessario allo strumento per fornire il valore della grandezza esaminata. Ad esempio la prontezza del termometro clinico può essere di 3-4 minuti STRUMENTI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE CARATTE- RISTICHE degli STRUMENTI

21 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORI DI MISURA Ci sono 2 tipi di errori di misura: ERRORI ACCIDENTALI (o casuali)ERRORI ACCIDENTALI ERRORI SISTEMATICI (errori che si ripetono sempre allo stesso modo: o sempre per eccesso, o sempre per difetto)ERRORI SISTEMATICI CONCETTI di BASE

22 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORI ACCIDENTALI Quando si effettua una misura, il valore trovato non è mai assolutamente esatto. Lo si ottiene sempre con una certa approssimazione. Questa può essere dovuta a diversi fattori del tutto casuali. Intanto la minima approssimazione che si rende necessaria è dovuta alla sensibilità dello strumento. Infatti a causa della sensibilità dello strumento noi non possiamo stabilire con esattezza il valore misurato. Tale approssimazione prende il nome di errore di misura.sensibilità Talvolta la stessa misura ripetuta più volte dà valori differenti. In tal caso si assume come valore della misura il valore medio e come errore di misura la semidispersione massima L’errore di misura così determinato prende il nome di errore accidentale o errore casuale cioè dovuto al caso. L’errore accidentale viene chiamato anche ERRORE ASSOLUTOERRORE ASSOLUTO ERRORI di MISURA SENSIBILITA’ degli STRUMENTI LA MISURA CONCETTI di BASE

23 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORI SISTEMATICI Se lo strumento di misura è mal tarato (es. una bilancia che segna 10 grammi in più, o un orologio che va avanti di qualche minuto) i valori osservati sono o sempre in più (oppure sempre in meno) del valore corretto. Se leggiamo su uno strumento in modo non frontale notiamo l’indice un po’ più avanti (o un po’ più indietro) della sua reale posizione. In entrambi i casi la misura risulta pertanto affetta da un errore di misura. Tale tipo di errore è eliminabile, in quanto una volta determinato il valore dell’errore questo lo si potrà sottrarre (o sommare) al valore trovato della misura. Alla fine il valore della misura così determinato è privo di questo tipo di errore. Questo tipo di errore si chiama errore sistematico Poiché esso si manifesta sempre in più (o sempre in meno) ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

24 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORE ASSOLUTO L’errore assoluto è l’errore accidentale di una misura.errore accidentale Nel caso la misura è stata effettuata una sola volta esso corrisponde alla sensibilità dello strumento.sensibilità Invece se la stessa misura è stata ripetuta più volte l’errore assoluto corrisponde alla semidispersione massima (la metà della differenza tra il valore massimo ed il valore minimo). L’errore assoluto viene indicato con un numero che ha una sola cifra diversa da zero ed è seguito dall’unità di misura della grandezza fisica misurata ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

25 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORE RELATIVO L’errore relativo serve ad indicare la bontà di una misura. Tanto più è piccolo l’errore relativo tanto più è precisa la misura. Si calcola facendo il rapporto tra l’errore assoluto ed il valore misurato.errore assoluto E’ un numero puro (cioè senza unità di misura) ed è sempre minore di 1. ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

26 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ERRORE PERCENTUALE Talvolta l’errore relativo si può rappresentare tramite l’ERRORE PERCENTUALE. L’errore percentuale si ottiene moltiplicando l’errore relativo per 100.errore relativo L’errore percentuale è un numero puro, cioè non ha unità di misura, però si usa indicarlo seguito dal simbolo % (percento) ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

27 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CIFRE SIGNIFICATIVE A causa dell’incertezza dovuta all’errore assoluto, il valore di una grandezza fisica si scrive sempre arrotondandolo alla cifra corrispondente a quella non sicura. In tal modo, sono cifre significative del valore di una misura tutte le cifre sicure di quel valore e la prima cifra incerta. Le altre cifre non certe non vanno scritte in quanto assolutamente prive di significato ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

28 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPAGAZIONE DEGLI ERRORI NELLE MISURE INDIRETTE Nelle misure indirette (cioè quelle effettuate tramite calcoli) gli errori si propagano sul risultato. GLI ERRORI SI SOMMANO SEMPRE Nelle somme e nelle differenze l’errore assoluto del risultato è uguale alla somma degli errori assoluti delle singole misure.errore assoluto Nei prodotti e nei rapporti l’errore relativo del risultato è uguale alla somma degli errori relativi delle singole misure.errore relativo ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

29 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Cifre significative nei calcoli Nelle misure indirette, a causa della propagazione degli errori, le cifre significative del risultato dipendono dalle cifre significative delle misure di partenza e dall’operazione matematica effettuata. Nelle somme e nelle differenze: il numero di “cifre significative dopo la virgola” nel risultato è uguale al numero di “cifre significative dopo la virgola” della misura che ha meno “cifre significative dopo la virgola”; Nei prodotti e nei rapporti: il numero di “cifre significative complessive” nel risultato è uguale a quello della misura che ha meno “cifre significative complessive”. ERRORI ACCIDEN- TALI ERRORI di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE SENSIBILITA’ degli STRUMENTI

30 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL SISTEMA INTERNAZIONALE di unità di misura Il Sistema Internazione (SI) di unità di misura è un insieme di 7 unità di misura corrispondenti alle sette grandezze fisiche fondamentali. E’ stato definito da un gruppo di scienziati di tutto il mondo nel 1976, e identifica le unità di misura da utilizzare per comunicare tra un paese ed un altro. Esse sono: GrandezzaSimboloUnità di misuraSimbolo LunghezzaL, lMetrom TempotSecondos MassaMChilogrammokg TemperaturatKelvinK Corrente elettricaiAmpereA Intensità luminosanCandelacd Quantità di materiaIvMolemole UNITA’ Di MISURA LA MISURA CONCETTI di BASE

31 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 RELAZIONI DI PROPORZIONALITA’ Tra le grandezze fisiche riguardanti un fenomeno ci possono essere infinite relazioni. Ne studiamo solo alcune: Proporzionalità diretta Proporzionalità inversa Proporzionalità diretta alla seconda potenza Proporzionalità inversa alla seconda potenza CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

32 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPORZIONALITA’ DIRETTA Due grandezze sono direttamente proporzionali quando al raddoppiare dell’una raddoppia l’altra. In tal caso il loro rapporto è costante, ovvero la prima è uguale ad un numero costante moltiplicato per la seconda. Il grafico cartesiano di due grandezze direttamente proporzionali è una retta passante per l’origine degli assi. PROPOR- ZIONALI- TA’ CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

33 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPORZIONALITA’ INVERSA Due grandezze sono inversamente proporzionali quando al raddoppiare dell’una dimezza l’altra. In tal caso il loro prodotto è costante, ovvero la prima è uguale ad un numero costante diviso per la seconda. Il grafico cartesiano di due grandezze inversamente proporzionali è una iperbole equilatera (una curva che si avvicina sempre più agli assi senza mai toccarli). PROPOR- ZIONALI- TA’ CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

34 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPORZIONALITA’ DIRETTA ALLA SECONDA POTENZA Una grandezza A è direttamente proporzionale alla seconda potenza di una grandezza B quando al raddoppiare di B quadruplica A. In tal caso il rapporto tra A ed il quadrato di B è costante, ovvero A è uguale ad un numero costante moltiplicato per il quadrato di B. Il grafico cartesiano di due grandezze di cui una è direttamente proporzionale al quadrato dell’altra è un ramo di parabola. PROPOR- ZIONALI- TA’ CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

35 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPORZIONALITA’ INVERSA ALLA SECONDA POTENZA Una grandezza A è inversamente proporzionale alla seconda potenza di una grandezza B quando al raddoppiare di B, A diventa un quarto. In tal caso il prodotto, tra A ed il quadrato di B, è costante, ovvero A è uguale ad un numero costante diviso per il quadrato di B. Il grafico cartesiano di due grandezze, di cui una è inversamente proporzionale al quadrato dell’altra, assomiglia ad un’iperbole equilatera. PROPOR- ZIONALI- TA’ CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

36 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ALGEBRA VETTORIALE Tra vettori è possibile eseguire 4 operazioni: somma, differenza, prodotto scalare e prodotto vettoriale.somma differenzaprodotto scalareprodotto vettoriale La somma e la differenza è possibile solo tra grandezze omogenee, mentre il prodotto scalare ed il prodotto vettoriale è possibile farlo anche tra grandezze non omogenee. Inoltre è possibile scomporre un vettore nelle sue componenti e moltiplicare uno scalare per un vettorescomporremoltiplicare uno scalare per un vettore VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

37 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SOMMA VETTORIALE Se si vogliono sommare due vettori A e B per ottenere il vettore A + B si procede nel seguente modo: 1)Si disegna il primo vettore, 2)Si disegna il secondo vettore con la coda sulla punta del primo, 3)Si unisce con un segmento la coda del primo vettore con la punta del secondo, 4)Si disegna il verso in corrispondenza della punta del secondo. Il vettore così ottenuto è il vettore somma ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

38 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DIFFERENZA VETTORIALE La differenza di 2 vettori A e B è un vettore A – B che si ottiene sommando al vettore A il vettore – B (il vettore B cambiato di verso). ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

39 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRODOTTO SCALARE tra 2 VETTORI Tra due vettori A e B è possibile trovare il loro prodotto scalare. Questo è una grandezza scalare che può essere determinata in quattro modi diversi: 1) si moltiplica il valore del primo vettore (A) per il valore della componente del secondo vettore parallela al primo (B ). Cioè A · B = A · B ; 2) si moltiplica il valore del secondo vettore (B) per il valore della componente del primo vettore parallela al secondo (A ). Cioè A · B = B · A ; 3) si moltiplica il valore del primo vettore (A) per il valore del secondo vettore (B) per il coseno dell’angolo tra i due vettori. Cioè A · B = A · B · cos(a); 4) si scompongono i due vettori A e B nelle sue componenti A X, A Y, A Z e B X, B Y, B Z, poi si moltiplicano tra loro le componenti X, si moltiplicano le componenti Y, si moltiplicano le componenti Z ed alla fine si sommano i tre prodotti. Cioè A · B = A X · B X + A Y · B Y + A Z · B Z ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

40 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tra due vettori A e B è possibile eseguire il loro prodotto vettoriale. Questo è una grandezza vettoriale che ha la direzione perpendicolare a quella di ciascuno dei 2 vettori ed il verso che si può trovare con la regola della mano sinistra. Il valore può essere determinata in quattro modi diversi: 1) si moltiplica il valore del primo vettore (A) per il valore della componente del secondo vettore perpendicolare al primo (B ). Cioè A · B = A · B ; 2) si moltiplica il valore del secondo vettore (B) per il valore della componente del primo vettore perpendicolare al secondo (A ). Cioè A · B = B · A ; 3) si moltiplica il valore del primo vettore (A) per il valore del secondo vettore (B) per il seno dell’angolo tra i due vettori. Cioè A · B = A · B · sen(  ); 4) si scompongono i due vettori A e B nelle sue componenti A X, A Y, A Z e B X, B Y, B Z, poi si ottengono le componenti del prodotto vettoriale nel seguente modo: (A · B) X = A X · BX + AY · BY + AZ · BZ (A · B) Y = A X · BX + AY · BY + AZ · BZ (A · B) Z = A X · BX + AY · BY + AZ · BZ PRODOTTO VETTORIALE tra 2 VETTORI ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

41 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRODOTTO di un VETTORE per uno SCALARE Moltiplicando un vettore A per uno scalare b si ottiene un vettore C che ha:  la stessa direzione del vettore A;  lo stesso verso di A se è b positivo (> 0), o verso contrario se è b negativo (< 0);  il valore di C è uguale al valore di A moltiplicato per b. ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

42 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SCOMPOSIZIONE di un VETTORE Si chiamano componenti di un dato vettore quei vettori che giacciono sugli assi cartesiani e che sommati danno come risultato il vettore di partenza. Un vettore può essere scomposto nelle sue componenti. Per farlo è necessario disegnare il vettore nel sistema di assi cartesiani con la sua coda nell’origine. Dopo di che si disegnano, in corrispondenza delle coordinate della punta del vettore, i versi dei vettori componenti. ALGEBRA VETTO- RIALE VETTORI CONCETTI di BASE GRAN- DEZZE FISICHE

43 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 STATI DI AGGREGAZIONE della materia I corpi che noi osserviamo quotidianamente si trovano in stati di aggregazione (o fasi) diversi: il marmo allo stato solido,solido l’alcool allo stato liquido,liquido il vapore acqueo allo stato gassoso.gassoso Oltre alla fase solida, liquida e gassosa esiste anche la fase di plasma. Ogni sostanza può passare da uno stato di aggregazione ad un altro se viene cambiata la pressione e/o la temperatura. L’acqua è una sostanza che, alla pressione atmosferica, la possiamo facilmente trovare in una delle tre fasi, mentre altri materiali li troviamo principalmente in una determinata fase: ad esempio il ferro solitamente solido, l’olio solitamente liquido, l’ossigeno solitamente gassoso. CONCETTI di BASE

44 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 I SOLIDI Avete studiato alle elementari che i solidi sono quei corpi che non cambiano né la loro forma né il loro volume. Per essere più esatti possiamo affermare che nei solidi la forma non cambia, mentre il volume può cambiare al variare della temperatura, ma il cambiamento è molto piccolo e generalmente può essere trascurato. Dal punto di vista microscopico un corpo è solido se le particelle di cui esso è formato oscillano o vibrano attorno a posizioni reciproche pressoché fisse, cioè una particella non cambia la sua posizione rispetto a quelle ad essa vicine. Possiamo dire che le forze di legame reciproche sono di notevole intensità. STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

45 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 I LIQUIDI Avete studiato alle elementari che i liquidi sono quei corpi che non cambiano il loro volume, ma cambiano la loro forma, prendendo la forma del recipiente che li contengono. Per essere più esatti, possiamo affermare che nei liquidi il volume può cambiare al variare della temperatura, ma il cambiamento è molto piccolo e generalmente può essere trascurato. Dal punto di vista microscopico un corpo è liquido se le particelle di cui esso è formato oscillano o vibrano scivolando le une accanto alle altre, cioè una particella può cambiare la sua posizione rispetto a quelle ad essa vicine, ma mantiene pressoché invariata la distanza con esse. Possiamo dire che le forze di legame reciproche sono di media intensità. STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

46 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 I GAS Avete studiato alle elementari che i gas sono quei corpi non hanno un volume proprio né una forma propria ma assumono il volume e la forma del recipiente che li contengono. Per essere più esatti, possiamo affermare che i gas occupano tutto il volume a loro disposizione. Se il recipiente lo consente il volume può cambiare al variare della temperatura. Se non lo consente al variare della temperatura varia la pressione sulle pareti del contenitore.pressione Dal punto di vista microscopico in un gas le particelle di cui esso è formato oscillano o vibrano e si muovono liberamente, indipendentemente le une dalle altre. Possiamo dire che le forze di legame reciproche sono di intensità trascurabile. STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

47 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMBIAMENTI DI FASE Ogni sostanza può passare da uno stato di aggregazione ad un altro se viene cambiata la pressione e/o la temperatura. Ogni cambiamento di fase ha un nome particolare che la differenzia dalle altre: FUSIONEFUSIONE è il passaggio dalla fase solida alla liquida; EBOLLIZIONEEBOLLIZIONE ed EVAPORAZIONE sono passaggi dalla fase liquida alla fase gassosa. Sia l’ebollizione che l’evaporazione vanno sotto il nome di vaporizzazione;EVAPORAZIONE CONDENSAZIONECONDENSAZIONE è il passaggio dalla fase gassosa alla fase liquida; SOLIDIFICAZIONESOLIDIFICAZIONE è il passaggio dalle fase liquida alla fase solida; SUBLIMAZIONESUBLIMAZIONE è il passaggio dalla fase solida a quella gassosa o viceversa. Questo passaggio avviene senza passare dalla fase liquida. STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

48 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FUSIONE FUSIONE è il passaggio dalla fase solida alla fase liquida. La fusione avviene grazie all’assorbimento di calore da parte del corpo. Durante tutto il periodo in cui un solido si trasforma in liquido la temperatura rimane costante. Ogni materiale ha un proprio valore di temperatura a cui avviene la fusione. Questo valore prende il nome di temperatura di fusione. Il calore assorbito dal corpo durante il tempo della fusione, chiamato calore latente di fusione, serve per rompere i legami tra le molecole liberandoli dal vincolo di stare in posizioni pressoché fisse le une accanto alle altre. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

49 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 EBOLLIZIONE EBOLLIZIONE è il passaggio dalla fase liquida alla fase gassosa con formazione di bolle che dagli strati più profondi si dirigono verso gli strati superficiali; L’ebollizione si produce grazie all’assorbimento di calore da parte del liquido oppure alla diminuzione della pressione. Durante tutto il periodo in cui un liquido bolle trasformandosi in gas la temperatura rimane costante. Ogni materiale ha un proprio valore di temperatura a cui avviene l’ebollizione. Questo valore prende il nome di temperatura di ebollizione. Il calore assorbito dal corpo durante il tempo dell’ebollizione, chiamato calore latente di ebollizione, serve per rompere i legami tra le molecole liberandoli dal vincolo di stare vicine le une alle altre. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

50 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 EVAPORAZIONE EVAPORAZIONE è il passaggio dalla fase liquida alla fase gassosa senza formazione di bolle. Questo avviene negli strati superficiali del liquido; L’evaporazione si verifica a temperatura inferiore a quella di ebollizione. Nell’evaporazione le molecole in superficie, che si trovano momentaneamente ad avere un’energia più grande delle molecole vicine, si staccano da esse e si liberano negli spazi esterni. Naturalmente alcune molecole già liberatesi possono ricadere nel liquido, ma ciò capita molto meno. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

51 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CONDENSAZIONE CONDENSAZIONE è il passaggio dalla fase gassosa a quella liquida; La condensazione si verifica a causa di un iniziale abbassamento di temperatura oppure a causa di un aumento di pressione. Durante tutto il periodo in cui un gas si trasforma in liquido la temperatura rimane costante. Ogni materiale ha un proprio valore di temperatura a cui avviene la condensazione che è uguale a quella di ebollizione. Il calore ceduto dal corpo durante il tempo della condensazione, comporta una diminuzione di energia interna del gas per cui le molecole si legano a quelle vicine permettendo però lo scorrimento delle une accanto alle altre. Il calore ceduto dal corpo durante la condensazione è uguale (a parte il segno) a quello latente di ebollizione. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

52 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SOLIDIFICAZIONE SOLIDIFICAZIONE è il passaggio dalla fase liquida alla fase solida; La solidificazione succede grazie all’abbassamento iniziale di temperatura da parte del corpo Durante tutto il periodo in cui un liquido si trasforma in solido la temperatura rimane costante e questa è uguale a quella di fusione. Il calore ceduto dal corpo durante il tempo della solidificazione, comporta una diminuzione di energia interna del gas per cui le molecole si legano più fortemente a quelle vicine impedendo così lo scorrimento delle une accanto alle altre. Il calore ceduto dal corpo durante il tempo della solidificazione, è uguale (a parte il segno) a quello latente di fusione. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

53 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SUBLIMAZIONE SUBLIMAZIONE è il passaggio dalla fase solida alla fase gassosa senza passare dalla fase liquida oppure viceversa il passaggio dalla fase gassosa alla fase solida senza passare dalla fase liquida. CAMBIA- MENTI di FASE STATI di AGGREGA- ZIONE CONCETTI di BASE

54 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA MECCANICA Le parti della MECCANICA sono: CINEMATICA Studia il movimento dei corpi (studia come può avvienire il movimento, cioè studia quali sono i vari tipi di movimento)CINEMATICA STATICAStudia l’equilibrio dei corpi (cioè perché i corpi non cambiano la loro velocità)STATICA DINAMICAStudia le cause del movimento (cioè studia perché i corpi si muovono in un certo modo anziché in un altro)DINAMICA

55 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA CINEMATICA Il concetto di POSIZIONE,POSIZIONE Lo SPAZIO PERCORSOSPAZIO PERCORSO Lo SPOSTAMENTO,SPOSTAMENTO La VELOCITA’,VELOCITA’ La VARIAZIONE di VELOCITA’,VARIAZIONE di VELOCITA’ L’ACCELERAZIONE.ACCELERAZIONE Il moto rettilineo,Il moto rettilineo Il moto circolare,Il moto circolare Il moto uniforme,Il moto uniforme Il moto rettilineo uniforme,Il moto rettilineo uniforme Il moto circolare uniforme,Il moto circolare uniforme Il moto uniformemente accelerato.Il moto uniformemente accelerato La CINEMATICA studia il movimento senza interessarsi delle sue cause. Ossia studia: Le grandezze fisiche del movimento ed i vari tipi di movimenti di un corpo MECCA- NICA

56 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La POSIZIONE La Posizione di un corpo indica il punto in cui il corpo (supposto molto piccolo) si trova in un determinato istante di tempo. La posizione ovviamente dipende dal Sistema di Riferimento utilizzato. Può essere determinata dando le coordinate del punto occupato nel Sistema di Riferimento. Esso è una grandezza fisica vettoriale e lo si può rappresentare con una freccia che parte all’origine del Sistema di Riferimento e termina nel punto in cui si trova il corpo.grandezza fisicavettoriale Lo spostamento si indica con la P. Nel S.I. la sua unità di misura è il metro (m). CINEMA- NICA MECCA- NICA

57 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Lo SPAZIO PERCORSO Si definisce SPAZIO PERCORSO da un corpo la lunghezza del percorso fatto tra la sua posizione iniziale e quella finale. posizione Lo Spazio percorso è una grandezza fisica scalare. grandezza fisica scalare Lo spazio percorso si indica con la s. Nel S.I. la sua unità di misura è il metro (m). CINEMA- NICA MECCA- NICA

58 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Lo SPOSTAMENTO Si definisce SPOSTAMENTO di un corpo la distanza tra la sua posizione iniziale e quella finale.posizione Lo Spostamento è una grandezza fisica vettoriale e lo si può rappresentare con una freccia che parte dalla posizione iniziale e finisce nella posizione finale. grandezza fisicavettoriale Lo spostamento si indica con la S e risulta uguale a: S = P f – P i =  P. Nel S.I. la sua unità di misura è il metro (m). CINEMA- NICA MECCA- NICA

59 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La VELOCITA’ La velocità è una grandezza fisica che indica la sveltezza con cui si muove un corpo.grandezza fisica Si può parlare di velocità lineare (o velocità scalare) e di velocità (o velocità vettoriale. La velocità lineare (il cui simbolo è v ) è una grandezza scalare e si calcola facendo il rapporto tra lo spazio percorso (s ) ed il tempo (t ) impiegato a percorrerlo.scalare Cioè: La velocità (il cui simbolo è V ) è una grandezza vettoriale e sivettoriale calcola facendo il rapporto tra lo Spostamento (S ) ed il tempo (t ) impiegato a percorrerlo. Cioè: L’unità di misura della velocità nel S.I. è il metro al secondo ( ). CINEMA- NICA MECCA- NICA

60 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La VARIAZIONE di VELOCITA’ La variazione di velocità di un corpo è una grandezza fisica vettoriale che indica la differenza tra la sua velocità finale e quella iniziale.grandezza fisicavettoriale Il simbolo della variazione di velocità è  V. La variazione di velocità (  V) si calcola facendo la differenza tra la velocità finale (V f ) e la velocità iniziale (V i ) del corpo considerato. Cioè:  V= V f – V i. L’unità di misura della variazione di velocità nel S.I. è il metro al secondo ( ). CINEMA- NICA MECCA- NICA

61 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ACCELERAZIONE L’accelerazione è una grandezza fisica che indica la sveltezza con cui varia la velocità di un corpo.grandezza fisica L’accelerazione (il cui simbolo è a ) è una grandezza vettoriale e si calcola facendo il rapporto tra la variazione di velocità (  V ) ed ilvettorialevariazione di velocità tempo (t ) impiegato a variarla. Cioè: L’unità di misura dell’accelerazione nel S.I. è il metro al secondo quadrato ( ). CINEMA- NICA MECCA- NICA

62 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL MOTO RETTILINEO UNIFORME Il movimento di un corpo in fisica viene chiamato MOTO. Se il corpo si muove lungo una linea retta il moto si chiama: Moto Rettilineo. Quindi nel moto rettilineo può cambiare il valore o il verso della velocità, ma non la sua direzione.valore versovelocitàdirezione Se il valore della velocità di un corpo è costante, cioè non cambia al passare del tempo il moto si chiama: Moto Uniforme. Quindi nel moto uniforme può cambiare la direzione ed il verso della velocità ma non il suo valore. Se il movimento avviene in linea retta e con il valore della velocità costante il moto si chiama: Moto Rettilineo Uniforme. Nel moto rettilineo uniforme, siccome non cambia il valore e la direzione della velocità, non può cambiare neanche il verso. Pertanto se il moto è rettilineo uniforme la velocità è costante e quindi l’accelerazione è nulla.accelerazione CINEMA- NICA MECCA- NICA

63 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL MOTO CIRCOLARE UNIFORME Il movimento di un corpo in fisica viene chiamato MOTO. Se il corpo si muove lungo una circonferenza il moto si chiama: Moto Circolare. Quindi nel moto circolare può cambiare il valore o il verso e la direzione della velocità.valoreversodirezionevelocità Se il valore della velocità di un corpo è costante, cioè non cambia al passare del tempo il moto si chiama: Moto Uniforme. Quindi nel moto uniforme può cambiare la direzione ed il verso della velocità ma non il suo valore. Se il movimento avviene lungo una circonferenza e con il valore della velocità costante il moto si chiama: Moto Circolare Uniforme. Nel moto circolare uniforme, siccome cambia il verso e la direzione della velocità, anche se non cambia il valore l’accelerazione non è nulla, ma avrà un valore costante, una direzione che, istante per istante, è lungo il raggio della circonferenza ed il verso è verso il suo centro. Si parla allora di accelerazione centripeta.accelerazione CINEMA- NICA MECCA- NICA

64 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL MOTO UNIFORMEMENTE ACCELERATO Il movimento di un corpo in fisica viene chiamato MOTO. Se il corpo si muove lungo una linea retta il moto si chiama: Moto Rettilineo. Quindi nel moto rettilineo può cambiare il valore o il verso della velocità, ma non la sua direzione.valore versovelocitàdirezione Se il valore, la direzione ed il verso dell’accelerazione è costante, ossia se l’accelerazione del corpo è costante il moto si chiama: Moto Uniformemente Accelerato.accelerazione Se un corpo si muove di moto uniformemente accelerato il moto del corpo può essere o rettilineo o curvilineo. Un caso di moto curvilineo uniformemente accelerato è il moto parabolico. Ad esempio il moto di un qualsiasi oggetto o proiettile lanciato in direzione obliqua è un moto parabolico cioè un moto curvilineo uniformemente accelerato. CINEMA- NICA MECCA- NICA

65 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA STATICA E L’EQUILIBRIO La STATICA studia le condizioni che consentono ad un corpo di essere in equilibrio. Ci sono 2 tipi di equilibrio: equilibrio traslazionale ed equilibrio rotazionale Per equilibrio traslazionale si intende la situazione di un corpo che 1. essendo fermo continua a stare fermo; oppure che 2.essendo in moto continua a muoversi di moto rettilineo uniforme.moto rettilineo uniforme Per equilibrio rotazionale si intende la situazione di un corpo che a.non ruotando continua a non ruotare; oppure che b.essendo in rotazione continua a ruotare con moto circolare uniforme.moto circolare uniforme. Essa si suddivide i STATICA dei SOLIDI (che ha alla base le FORZE) eSTATICA dei SOLIDI STATICA dei FLUIDI (che ha alla base la PRESSIONE)STATICA dei FLUIDI MECCA- NICA

66 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 I FLUIDI I corpi fluidi sono quei corpi che si trovano allo stato di aggregazione di liquido oppure di gas.stato di aggregazioneliquidogas Un fluido non ha una forma propria, ma si adatta al recipiente che lo contiene. Su di esso è impossibile applicare un forza localizzata in un punto, ma è necessario applicarla distribuendola sulla superficie che lo delimita. Per questo studiando i fluidi si studia principalmente la pressionepressione STATICA MECCA- NICA

67 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA PRESSIONE Quando si studiano le forze non localizzate, ma distribuite su una superficie si introduce il concetto di pressione (simbolo p). Essa è una grandezza fisica scalare e corrisponde al valore della forza ( F ) che agisce su una superficie ( S ) unitaria (S = 1 m 2 ).scalare Quindi F = p · S. La sua unità di misura nel S.I. è Newton al metro quadro ( ). N / m 2 viene anche detto Pascal (Pa). Quindi:. STATICA MECCA- NICA

68 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRINCIPIO DI PASCAL La pressione in un fluido, in dato istante, può essere diversa a seconda del punto considerato. Ma ad un stesso livello di profondità, nello stesso fluido, la pressione ha lo stesso valore qualunque sia il punto in cui viene misurata. Ma la pressione può essere diversa se si prendono in considerazione punti a differente profondità così come afferma la legge di Stevino.legge di Stevino Se, invece, il fluido non ha peso allora la pressione è la stessa in tutti i punti anche a profondità diverse. Cioè la pressione esercitata in un punto si trasmette in tutti gli altri punti con la stessa intensità esercitando una forza sempre perpendicolare alla superficie del contenitore. Quest’ultimo fatto è noto come principio di Pascal. Esso in pratica afferma che l’unica causa del diverso valore della pressione a profondità diverse è il peso specifico del fluido stesso. PRESSIO- NE STATICA MECCA- NICA

69 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA LEGGE DI STEVINO La pressione in un fluido, in dato istante, può essere diversa a seconda del punto considerato. Ma ad un stesso livello di profondità, nello stesso fluido, la pressione ha lo stesso valore qualunque sia il punto in cui viene misurata. Ma la pressione può essere diversa se si prendono in considerazione punti a differente profondità. Infatti la LEGGE DI STEVINO afferma che: Se, un fluido ha un peso non trascurabile allora la pressione non è la stessa in tutti i punti ma varia con la profondità. Cioè la variazione di pressione tra due punti di un fluido a profondità diverse è uguale al prodotto fra il peso specifico del fluido P s per la differenza di profondità  h. Ossia  p = P s ∙  h = d  g∙  h (dove d è la densità del fluido e g è l’accelerazione di gravità) Quindi se la pressione in superficie è nulla (p 0 = 0) ed il primo dei 2 punti è in superficie (h = 0) allora la pressione a profondità h sarà: p = d  g∙h = P s ∙h. Esso in pratica afferma che l’unica causa del diverso valore della pressione a profondità diverse è il peso specifico del fluido stesso. PRESSIO- NE STATICA MECCA- NICA

70 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA DINAMICA La DINAMICA studia le cause del movimento e quindi si interessa di: MASSA,MASSA FORZA,FORZA LAVORO,LAVORO ENERGIA,ENERGIA POTENZA,POTENZA QUANTITA’ di MOTO, MOMENTO di INERZIA, MOMENTO ANGOLARE. La dinamica può essere suddivisa in: DINAMICA dei SOLIDIDINAMICA dei SOLIDI e DINAMICA dei FLUIDI MECCA- NICA

71 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MASSA La massa è una grandezza fisica fondamentale, scalare. Il suo simbolo è m o M. È una proprietà caratteristica di tutti i corpi Possiamo dare 3 definizioni differenti: 1) quantità di materia con cui è composto un corpo, 2) opposizione di un corpo a farsi accelerare (cioè a far cambiare la sua velocità); 3) proprietà dei corpi grazie alla quale si attraggono con una forza gravitazionale. La sua unità di misura nel S.I. è il chilogrammo (kg) Lo strumento con cui la si misura è la bilancia a due braccia MECCA- NICA DINAMICA

72 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FORZA Per forza si intende una spinta o un’attrazione che è in grado di far modificare il tipo di movimento (velocità) di un corpo. Un altro effetto della forza è la deformazione (grande o piccola) del corpo su cui essa è applicata. Se il corpo non è vincolato (ovvero è libero di muoversi) e su di esso non è applicata alcuna forza, esso non cambia il suo modo di muoversi (non cambia la sua velocità). Questo afferma il primo principio della dinamica. Se il corpo non è vincolato (ovvero è libero di muoversi) e su di esso è applicata una forza, esso cambia il suo modo di muoversi (cambia la sua velocità). Questo afferma il secondo principio della dinamica. La forza (simbolo F ) è una grandezza fisica vettoriale che ha come unità di misura nel S.I.il kg · m/s 2 che per semplicità viene chiamato Newton (N). MECCA- NICA DINAMICA

73 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LAVORO Il lavoro è una grandezza fisica derivata, scalare il cui simbolo è L. È un’azione che consiste nell’applicare una forza su un corpo che si sposta. Si calcola facendo il prodotto scalare tra laprodotto scalare forzaforza (F) applicata ad un corpo per il suo spostamento (S) L=F · S L’unità di misura del lavoro nel S.I. è il Joule (J) che corrisponde a Newton·metro (1 J=1N·m) MECCA- NICA DINAMICA

74 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ENERGIA L’energia U è una grandezza fisica scalare derivata. È una caratteristica dei corpi, ovvero sono i corpi che possiedono energia. L’energia è ciò che serve utilizzare per compiere lavoro. Infatti ogni qualvolta un corpo compie un lavoro L perde una quantità di energia pari al lavoro compiuto. Ovvero L = –  U. Mentre se un corpo subisce lavoro esso aumenta la sua energia di una quantità pari al lavoro subito. Quindi l’unità di misura dell’energia è quella stessa del lavoro e cioè nel S.I. è Joule. Ci sono molti tipi di energia: cinetica, potenziale, meccanica, termica, elastica, elettrica, magnetica, ecc. Ogni tipo di energia si calcola in un modo diverso. MECCA- NICA DINAMICA

75 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 POTENZA La potenza è una grandezza fisica scalare derivata. Essa è la sveltezza con cui si compie lavoro. La potenza P si calcola facendo il rapporto tra il lavoro L ed il tempo t impiegato a compierlo. Cioè La potenza è quindi la sveltezza con cui viene persa o prodotta l’energia U. L’unità di misura della potenza nel S.I. è watt che corrisponde a Joule/secondi. MECCA- NICA DINAMICA

76 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 STATICA DEI SOLIDI Tutti i solidi sono corpi deformabili.solidi Alcuni possono deformarsi molto (corpi elastici) e la loro deformazione risulta evidente, altri molto poco e talvolta neanche ci accorgiamo. Noi studieremo la statica dei corpi solidi non deformabili che chiameremo: “corpo rigido”. Un corpo rigido è in equilibrio solo se è in equilibrio sia traslazionale, sia rotazionale.equilibrio Un corpo rigido è in equilibrio traslazionale se la somma di tutte le forze applicate su di esso è uguale a zero.forze Un copro rigido è in equilibrio rotazionale se la somma di tutti i momenti delle forze applicati su di esso è uguale a zero.momenti delle forze Un corpo che è vincolato a muoversi lungo un percorso particolare può essere in equilibrio stabile, equilibrio instabile o equilibrio indifferente.equilibrio stabileequilibrio instabileequilibrio indifferente Casi particolari di corpi rigidi in equilibrio sono le macchine semplici.macchine semplici MECCA- NICA

77 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MOMENTO DELLA FORZA IN LAVORAZIONE. MECCA- NICA STATICA

78 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Equilibrio STABILE Un corpo rigido è in equilibrio stabile se si trova in una posizione tale che ogni qualvolta viene allontanato un poco da essa, tenderà a ritornare nella precedente posizione. Ad esempio è in una posizione di equilibrio stabile una pallina sul fondo di una tazza. MECCA- NICA STATICA

79 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Equilibrio INSTABILE MECCA- NICA Un corpo rigido è in equilibrio instabile se si trova in una posizione tale che ogni qualvolta viene allontanato un poco da essa, tenderà ad allontanarsi ancora di più dalla precedente posizione. Ad esempio è in una posizione di equilibrio stabile una pallina sulla cima di dosso. STATICA

80 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Equilinrio INDIFFERENTE MECCA- NICA Un corpo rigido è in equilibrio indifferente se si trova in una posizione tale che ogni qualvolta viene allontanato un poco da essa, rimarrà nella nuova posizione. Ad esempio è in una posizione di equilibrio stabile una pallina su un piano orizzontale. STATICA

81 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MACCHINE SEMPLICI Le macchine semplici sono dispositivi ideati dall’uomo per modificare l’applicazione delle forze. Sono macchine semplici le leve (forbici, apribottiglie, pinzette…) la carrucola, il paranco, la carriola, ecc.leve Le macchine semplici sfruttano le leggi dell’equilibrio. MECCA- NICA STATICA

82 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La LEVA La leva è una macchina semplice.macchina semplice Molti dei nostri utensili sono delle leve: le forbici, le pinzette per le sopracciglia, lo schiaccianoci, ecc. La leva consente di ottenere l’applicazione da parte della macchina di una forza resistente F r (o semplicemente resistenza) in un punto, tramite l’applicazione in un altro punto di una forza motrice F m (o semplicemente potenza). Questo avviene grazie alla rotazione della leva attorno ad un punto f chiamato fulcro. A seconda della posizione reciproca tra potenza, resistenza e fulcro distinguiamo tre tipi di leve: leva di primo genere, di secondo genere e di terzo genere.tipi di leve Il rapporto V tra la resistenza F r e la potenza F m si chiama vantaggio. Ossia:.vantaggio MECCA- NICA STATICA

83 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 VANTAGGIO della LEVA Il vantaggio di una leva può essere maggiore di zero (leva vantaggiosa) o minore di zero (leva svantaggiosa). Il vantaggio dipende dalle distanze tra i punti di applicazione delle forze ed il fulcro. Se chiamiamo b r (braccio della resistenza) la distanza tra il punto di applicazione della resistenza ed il fulcro e b m (braccio della potenza) la distanza tra il punto di applicazione della potenza ed il fulcro si verifica che:. MECCA- NICA STATICA Ovvero una leva è tanto più vantaggiosa quanto più il braccio della potenza è maggiore di quello della resistenza. LEVA

84 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TIPI di LEVA MECCA- NICA STATICA Sappiamo che una leva è tanto più vantaggiosa quanto più il braccio della potenza è maggiore di quello della resistenza.vantaggiosa Ci sono 3 tipi di leve: Leva di primo genere se il fulcro si trova tra la potenza e la resistenza. In una leva di primo genere il vantaggio può essere maggiore di zero (se il braccio della potenza è maggiore di quello della resistenza), minore di zero (se il braccio della potenza è minore di quello della resistenza) o uguale a zero (se il braccio della potenza è uguale a quello della resistenza). Sono leve di primo genere ad esempio le forbici o l’altalena. Leva di secondo genere se la resistenza si trova tra il fulcro e la potenza. Una leva di primo genere è sempre vantaggiosa. È una leva di secondo genere lo schiaccianoci. Leva di terzo genere se se la potenza si trova tra il fulcro e la resistenza. Una leva di primo genere è sempre svantaggiosa. È una leva di terzo genere la pinzetta per le sopracciglia. LEVA

85 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DINAMICA DEI SOLIDI Nella dinamica dei solidi si studiano le leggi della dinamica. Ovvero:  il primo principio della dinamica,primo principio della dinamica  il secondo principio della dinamica,secondo principio della dinamica  il terzo principio della dinamica,terzo principio della dinamica  il principio di conservazione dell’energia.principio di conservazione dell’energia MECCA- NICA DINAMICA

86 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA Il primo principio della dinamica, detto anche legge d’inerzia o legge di Galilei afferma che, in assenza di forze applicate su di un corpo, il corpo rimane in equilibrio, cioè se il corpo era fermo continua a rimanere fermo, invece se era in movimento continuerà a muoversi con la stessa velocità in valore, direzione e verso. Più in generale un corpo rimane in equilibrio se la somma di tutte le forze applicate al corpo è uguale a zero. In tal caso si ha che l’accelerazione a del corpo è nulla. Cioè: a = 0 MECCA- NICA DINAMICA

87 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SECONDO PRINCIPIO DELLA DINAMICA Il secondo principio della dinamica, detto anche legge fondamentale della dinamica o legge di Newton afferma che se su un corpo c’è applicata una sola forza il corpo accelera con una accelerazione a direttamente proporzionale alla forza F applicata ed inversamente proporzionale alla massa del corpo. Cioè:. Più in generale se su un corpo sono applicate più di una forza e la somma di tutte queste forze F TOT è diversa da zero il corpo accelera e l’accelerazione si calcola con la formula:. MECCA- NICA DINAMICA

88 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TERZO PRINCIPIO DELLA DINAMICA Il terzo principio della dinamica detto anche principio di azione e reazione afferma che se un corpo A applica una forza F AB su un corpo B allora il corpo B applica contemporaneamente un forza F BA sul corpo A e questa forza è esattamente uguale in valore e direzione, ma con verso contrario. Cioè:F AB = – F BA MECCA- NICA DINAMICA

89 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA Il principio di conservazione dell’energia afferma che l’energia è una grandezza fisica il cui valore non cambia. Cioè l’energia U può passare da un corpo ad un altro, oppure trasformarsi da un tipo ad un altro, ma non si può creare, né distruggere. La somma di tutte le energie prima di un evento qualsiasi e quella dopo l’evento stesso è sempre costante. Ha cioè un valore fisso. Ovvero U 1i + U 2i + U 3i + … = U 1f + U 2f + U 3f + … MECCA- NICA DINAMICA

90 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TERMOLOGIA La termologia si può suddividere in 2 parti: 1)La termologia vera e propria che si occupa della relazione tra la temperaturatemperatura, il calore, e la suacalore propagazione, l’energia internaenergia interna 2)La termodinamica studiata inizialmentetermodinamica nel caso di un gas perfetto.

91 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TEMPERATURA La temperatura può essere percepita dai nostri sensi come indice di quanto è caldo o freddo il corpo osservato. La temperatura indica il grado di agitazione delle particelle microscopiche di cui è composto il corpo (atomi).atomi La temperatura è una grandezza fisica, proprietà dei corpi, la cui definizione è data alla pagina seguente. definizione Ogni qualvolta si mette a contatto un corpo più caldo (cioè a temperatura più alta) con uno più freddo (cioè a temperatura più bassa) si ha un passaggio di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo. Dopo un po’ di tempo si raggiunge l’equilibrio termico, ovvero termina questo passaggio e i due copri raggiungono la stessa temperatura intermedia chiamata temperatura di equilibrio.di energia internatemperatura di equilibrio Gli effetti della variazione di temperatura possono essere: dilatazione, cambiamenti di colore, cambiamenti di fase, variazione della resistività elettrica, eccdilatazionecambiamenti di fase TERMO- LOGIA

92 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Definizione di TEMPERATURA La temperatura è una grandezza fisica scalare fondamentale che si misura con il termometro.scalare termometro La temperatura indica il grado di agitazione delle particelle del corpo L’unità di misura della temperatura nel S.I. è il kelvin (k). In Italia si usa invece il grado Celsius (°C). Il grado Celsius è chiamato anche grado centigrado.grado Celsius TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

93 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TERMOMETRO Il termometro è lo strumento di misura della temperatura (di un ambiente, di un oggetto, o di un corpo qualsiasi). Esso è costituito contenitore trasparente contenente al suo interno un termoscopio ed una scala graduata.termoscopio Il termometro più comunemente usato è quello che sfrutta il fenomeno della dilatazione termica. A seconda del livello raggiunto dal liquido nel termoscopio, si può leggere, sulla scala graduata, la temperatura del termometro e quindi quella del corpo in cui esso è inserito che è esattamente uguale (se si è aspettato il tempo necessario al raggiungimento dell’equilibrio termico). TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

94 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TERMOSCOPIO Il termoscopio è uno strumento di osservazione. Esso, non avendo associata una scala graduata, permette solo di osservare le variazioni di temperatura, ma non permette la sua misura. Il termoscopio a dilatazione di liquido è costituito da un contenitore trasparente, che ha una forma particolare, all’interno del quale c’è un liquido opaco (solitamente era il mercurio). Il contenitore ha la forma di un’ampolla terminante con un collo molto sottile. Esso è riempito dal liquido che occupa tutto lo spazio dell’ampolla e parte del suo collo. Aumentando la temperatura del corpo nel quale il termoscopio si trova immerso, si ha una dilatazione del liquido in esso contenuto. Si può, in tal modo, osservare l’aumento di temperatura, osservando l’aumento di livello del liquido nel collo del contenitore. TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

95 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Scala Celsius (1) Celsius usando il termoscopio a dilatazione di liquido ha inventato la scala termometrica che porta il suo nome.termoscopio Egli inizialmente aveva notato tre cose: 1) quasi tutti corpi (tranne l’acqua e i corpi che contengono acqua) all’aumentare della temperatura si dilatano aumentando di volume; 2) durante tutto il tempo in cui un corpo cambia fase da solido a liquido, o da liquido a solido la temperatura del corpo non cambia; 3) durante tutto il tempo in cui un corpo cambia fase da liquido a gas o da gas a liquido la temperatura del corpo non cambia(secondo punto fisso). Allora usando queste informazioni decise di fare quanto segue:segue TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

96 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Scala Celsius (2) Celsius usando le informazioni della pagina precedente decise di fare quanto segue:pagina precedente a) ha scelto come “corpo” l’acqua; b) ha collegato al suo termoscopio una striscia di carta per ottenere una scala graduata; c) ha chiamato zero gradi (0 °C) la temperatura dell’acqua che passa dalla fase solida a quella liquida (fusione del ghiaccio) ed ha segnato sulla striscia una tacca corrispondente al livello del liquido nel termoscopio indicandola con uno “0 °C”; d) ha chiamato cento gradi (100 °C) la temperatura dell’acqua che passa da liquido a gas (ebollizione) ed ha segnato sulla striscia una tacca corrispondente al livello del liquido nel termoscopio indicandola con un “100 °C”; e) ha suddiviso in 100 parti uguali la distanza tra le due tacche ed ha chiamato grado ogni singolo tratto; f) ha aggiunto altre tacche sopra il 100 °C per indicare valori di temperatura maggiori di 100 °C; g) ha aggiunto altre tacche sotto lo 0 °C per indicare valori negativi di temperatura. La scala così ottenuta va sotto il nome di Scala Celsius. Teoricamente tutti i valori di temperatura potrebbero essere possibili da meno infinito a più infinito TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

97 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Scala kelvin Giacché il valore minimo teorico possibile di temperatura corrisponde a 273,16, lord Kelvin ha pensato di costruire una scala di temperature tale che tutti valori possibili siano positivi. Pertanto egli, partendo dalla scala Celsius, ne costruì una nuova (scala kelvin, che quindi è anch’essa una scaLA centigrada) semplicemente aumentando tutti i valori di 273,16.scala Celsius Cioè il valore della temperatura indicata con la scala kelvin è uguale a quello della scala Celsius aumentato di 273,16. Ovvero indicando con t la temperatura indicata in gradi Celsius e con T quella indicata in kelvin si ha: T = t + 273,16 e quindi t = T – 273,16 In tal modo la temperatura dello zero gradi Celsius (0 °C) corrisponde alla temperatura di 273,16 k. Ciò vuol dire che il ghiaccio fonde alla temperatura di 273,16 k E la temperatura di cento gradi (100 °C) corrisponde alla temperatura di 373,16 k. Ciò vuol dire che l’acqua bolle alla temperatura di 373,16 k. TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

98 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Temperatura di EQUILIBRIO Se si mette a contatto un corpo più caldo (cioè a temperatura più alta) con uno più freddo (cioè a temperatura più bassa) si ha un passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo. Dopo un po’ di tempo si raggiunge l’equilibrio termico, ovvero termina questo passaggio e i due copri raggiungono la stessa temperatura intermedia chiamata temperatura di equilibrio. La temperatura di equilibrio dipende dalle temperature iniziali, dalle masse dei due corpi e dai materiali con cui sono costituiti i due corpi. Se entrambi i corpi sono dello fatti stesso materiale ed hanno uguale massa allora la temperatura di equilibrio sarà la media delle temperature iniziali. Invece se hanno differente massa la temperatura di equilibrio sarà più vicina alla temperatura iniziale del corpo con massa maggiore. Essa può essere calcolata usando la formula spiegata alla pagina successiva.pagina successiva TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

99 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CALCOLO della temperatura di equilibrio Due corpi dello stesso materiale a temperature differenti posti a contatto, dopo un po’ di tempo, raggiungono la temperatura di equilibrio. Si può notare che il rapporto tra le variazioni di temperatura dei due corpi (a parte il segno) è uguale al rapporto tra le due masse. Ovvero indicando con t 1 ed m 1 la temperatura iniziale e la massa del primo corpo, con t 2 ed m 2 la temperatura iniziale e la massa del secondo corpo e con t eq la temperatura di equilibrio si ha:. Quindi si ha: (t 1 – t eq )·m 1 = (t eq – t 2 )·m 2 da cui dopo una serie di passaggi si ottiene che la temperatura di equilibrio si può ricavare con la seguente formula:. Nel caso i corpi sono di materiale diverso è necessario conoscere il calore specifico o la capacità termica dei 2 materiali.calore specifico la capacità termica TERMO- LOGIA TEMPE- RATURA

100 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CALORE Tutti sappiamo che riscaldare un corpo significa fornirgli calore e che raffreddarlo significa sottragli calore. Ma che cosa è il calore? Gli scienziati del 1700 pensavano che esso fosse una qualche “sostanza” contenuta nei corpi a cui era stato dato il nome di “calorico”. Oggi noi sappiamo che il calore (simbolo Q ) è una forma di energia ed è chiamato anche “energia termica”. Il calore è la causa della variazione di temperatura dei corpi. L’unità di misura del calore usata nel S.I. è il Joule, ma storicamente è stata usata anche la “caloria”. Il calore è un flusso (o passaggio) spontaneo di energia termica da un corpo più caldo (a temperatura maggiore) ad uno più freddo (a temperatura minore). Il calore si può propagare in 3 modo diversi: conduzione, convezione ed irraggiamento.conduzioneconvezione irraggiamento Quindi il calore si ha tra due corpi a temperatura differente e può produrre una variazione di temperatura dei due corpi fintanto che non si raggiunge la temperatura di equilibrio. temperatura di equilibrio TERMO- LOGIA

101 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Conduzione Nei corpi solidi, dove la materia non può spostarsi da un’estremità all’altra del corpo, il calore si propaga per CONDUZIONE. La conduzione termica può avvenire tra 2 corpi a contatto oppure all’interno di uno stesso corpo. Nella conduzione termica c’è trasporto di energia termica (calore) senza trasporto di materia. La conduzione avviene grazie al fatto che in un corpo le particelle (che lo costituiscono) nella sua estremità più calda hanno maggiore agitazione, e questa viene trasmessa alle particelle meno agitate nelle vicinanze. Queste a loro volta trasmettono l’agitazione a quelle a loro più vicine e così via. TERMO- LOGIA CALORE

102 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Convezione Nei fluidi, dove la materia può spostarsi da un’estremità all’altra di esso, il calore si può propagare per CONVEZIONE. La convezione termica avviene all’interno di uno stesso corpo fluido (liquido o gas) grazie al fatto che in esso le particelle (che lo costituiscono) maggiormente agitate, sono libere di spostarsi trasportando con sé l’energia dovuta alla loro agitazione. Nella convezione termica c’è trasporto di energia termica (calore) tramite il trasporto di materia. Il movimento delle particelle all’interno del fluido si chiama moto convettivo. È un moto convettivo quello che si nota nell’acqua che bolle. È moto convettivo quello dell’acqua in un circuito di riscaldamento dalla caldaia ai termosifoni (acqua più calda) e dai termosifoni alla caldaia (acqua meno calda). È moto convettivo il movimento dell’aria chiamato vento. TERMO- LOGIA CALORE

103 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Irraggiamento Sia la conduzione che la convezione possono esistere nella materia. Ma il calore si può propagare anche in assenza di materia (nel vuoto). In tal caso si parla di IRRAGGIAMENTO. Nell’irraggiamento avviene la trasmissione a distanza di energia termica (calore) anche senza la presenza di materia. L’irraggiamento può avvenire tra due corpi distanti anche se sono separati dal vuoto. Esso è dovuto a fenomeni legati al campo elettromagnetico. La nostra terra viene scaldata dal sole (che è molto distante) tramite l’irraggiamento. Il vetro della lampadina viene scaldato per irraggiamento dal filamento incandescente al suo interno sebbene tra il vetro ed il filamento c’è il vuoto (assenza di materia). TERMO- LOGIA CALORE

104 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ENERGIA INTERNA Dalla definizione del calore si nota che i corpi non hanno calore, cioè il calore non è l’energia termica posseduta dai corpi, bensì è l’energia termica che da un corpo si trasferisce ad un altro. L’energia termica posseduta dai corpi si chiama energia interna (U ). Quindi a causa del contatto tra due corpi a temperatura differente il corpo più caldo perde una parte della propria energia interna e la cede sotto forma di calore al corpo più freddo. Questo invece riceve energia termica sotto forma di calore aumentando la propria energia interna. Quindi Q ceduto = -  U e Q assorbito =  U In altre parole il calore svolge lo stesso ruolo del lavoro: produce passaggio di energia. Ma mentre il lavoro è provocato dalle forze agenti tra i corpi, il calore è spontaneo ma avviene solo se i corpi hanno temperature differenti. TERMO- LOGIA CALORE

105 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CALORIA Gli scienziati del 1700 pensavano che il calore fosse una qualche “sostanza” contenuta nei corpi a cui era stato dato il nome di “calorico”. Per misurare la quantità di calorico (ovvero il calore) definirono una unità tutt’ora usata (sebbene non nel S.I.): la caloria il cui simbolo è (cal). Per definizione 1 caloria corrisponde alla quantità di calore che bisogna fornire ad 1 grammo di acqua pura per innalzare la sua temperatura da 14,5 °C a 15,5 °C. Risulta quindi che 1 cal = 4,186 J Per motivi vari è stata definita un’altra unità di misura con lo stesso nome ma con l’iniziale maiuscola: la Caloria (o anche grande Caloria) il cui simbolo è (Cal). Negli ultimi anni è sempre meno usata. Per definizione 1 Caloria corrisponde alla quantità di calore che bisogna fornire ad 1 chilogrammo di acqua pura per innalzare la sua temperatura da 14,5 °C a 15,5 °C. Quindi 1 Cal = 1000 cal ovvero 1 Cal = 1 kcal e quindi 1 Cal =4186 J TERMO- LOGIA CALORE

106 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CALORE SPECIFICO Il calore specifico è una grandezza fisica derivata scalare ed è una caratteristica di tutti i materiali. Significa che ogni materiale ha un proprio calore specifico che è stato calcolato e riportato in tabelle consultabili. Il calore specifico di un materiale (simbolo c) è uguale alla quantità di calore che bisogna fornire ad un kg di quel materiale per aumentare la sua temperatura di 1 °C (ovvero di 1 K). L’unità di misura nel S.I. è. Da questa definizione deriva che il calore specifico dell’acqua pura è. Da quanto esposto sopra deriva che il calore (Q )assorbito da un corpo è uguale al prodotto del calore specifico (c ) per la massa del corpo (m ) per l’aumento di temperatura (  t ). Cioè Q = c · m ·  t. TERMO- LOGIA CALORE

107 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAPACITA’ TERMICA La capacità termica è una grandezza fisica derivata scalare ed è una caratteristica di tutti i corpi. Significa che ogni corpo ha una propria capacità termica. La capacità termica di un corpo (simbolo C) è uguale alla quantità di calore che bisogna fornire a quel corpo per aumentare la sua temperatura di 1 °C (ovvero di 1 K). L’unità di misura nel S.I. è. Da questa definizione deriva che la capacità termica di un corpo costituito da un solo materiale è uguale al prodotto della massa del corpo per il suo calore specifico. Quindi: C = m · c. Allora se due corpi di materiale diverso (aventi calore specifico rispettivamente c 1 e c 2 ) aventi differenti temperature sono posti a contatto, dopo un po’ di tempo, raggiungono la temperatura di equilibrio. Questa è: TERMO- LOGIA CALORE

108 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DILATAZIONE TERMICA Quasi tutti i corpi (sia allo stato solido, sia allo stato liquido, sia a quello gassoso) all’aumentare della temperatura si dilatano e al diminuire della temperatura si restringono. La dilatazione termica interessa tutte le dimensioni del corpo: lunghezza, larghezza, altezza, superficie e volume. L’esperienza mostra che in un corpo solido la variazione delle sue dimensioni causata da una variazione di temperatura (  t ) è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) e alle dimensioni iniziali del corpo. Allora analizzeremo: – la dilatazione termica lineare,dilatazione termica lineare – la dilatazione termica superficiale,dilatazione termica superficiale – la dilatazione termica volumetrica,dilatazione termica volumetrica – la dilatazione lineare dei gas.dilatazione lineare dei gas TERMO- LOGIA

109 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Dilatazione termica LINEARE Nei corpi solidi la variazione della lunghezza (  Lu ) causata da una variazione di temperatura (  t ) è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) e alla lunghezza iniziale (Lu i ) del corpo. Cioè:  Lu = · Lu i ·  t dove il coefficiente di proporzionalità (lambda) prende il nome di coefficiente di dilatazione termica lineare.coefficiente di dilatazione termica lineare Con una serie di passaggi matematici si ottiene: Lu f – Lu i = · Lu i · (t f – t i ); Lu f = Lu i + · Lu i · (t f – t i ); Lu f = Lu i · (1+ · (t f – t i )). Nel caso in cui la temperatura iniziale è 0 ° C si ottiene: Lu = Lu 0 · (1+ · t f ). Lo stesso può affermarsi per la larghezza (La ). Cioè:  La = · La i ·  t. E quindi: La = La 0 · (1+ · t f ). Lo stesso può affermarsi per l’altezza (h ). Cioè:  h = · La i ·  t. E quindi: La = La 0 · (1+ · t f ). TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

110 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 COEFFICIENTE di dilatazione termica LINEARE Il coefficiente di dilatazione termica lineare ( ) è una grandezza fisica scalare. È una caratteristica di tutti i materiali. Significa che ogni materiale ha un proprio coefficiente di dilatazione termica lineare che è stato calcolato e riportato in tabelle consultabili. Il coefficiente di dilatazione termica lineare di un materiale è uguale alla variazione di lunghezza di un corpo inizialmente lungo 1 metro quando la sua temperatura aumenta di 1 ° C. L’unità di misura del coefficiente di dilatazione termica lineare nel S.I. è o anche. TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

111 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Dilatazione termica SUPERFICIALE Nei corpi solidi la variazione della superficie (  S ) causata da una variazione di temperatura (  t ) è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) e alla superficie iniziale (S i ) del corpo. Cioè:  S = k · S i ·  t. E con una serie di passaggi matematici si ottiene: S f – S i = k · S i · (t f – t i ); S f = S i + k · S i · (t f – t i ); S f = S i · (1+ k · (t f – t i )). Nel caso in cui la temperatura iniziale è 0 ° C si ottiene: S = S 0 · (1+ k · t f ). Il coefficiente di proporzionalità k prende il nome di coefficiente di dilatazione termica superficialecoefficiente di dilatazione termica superficiale TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

112 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 COEFFICIENTE di dilatazione termica SUPERFICIALE Il coefficiente di dilatazione termica superficiale ( k ) è una grandezza fisica scalare. È una caratteristica di tutti i materiali. Significa che ogni materiale ha un proprio coefficiente di dilatazione termica superficiale. Si è osservato che il coefficiente di dilatazione termica superficiale è uguale al doppio del coefficiente di dilatazione termica lineare. Cioè k = 2 · coefficiente di dilatazione termica lineare Il coefficiente di dilatazione termica superficiale di un materiale è uguale alla variazione di superficie di un corpo che ha inizialmente una superficie di 1 metro 2 quando la sua temperatura aumenta di 1 ° C. L’unità di misura del coefficiente di dilatazione termica superficiale nel S.I. è o anche. TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

113 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Dilatazione termica VOLUMETRICA Nei corpi solidi la variazione del volume (  V ) causata da una variazione di temperatura (  t ) è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) e al volume iniziale (V i ) del corpo. Cioè:  V =  · V i ·  t. E con una serie di passaggi matematici si ottiene: V f – V i =  · V i · (t f – t i ); V f = V i +  · V i · (t f – t i ); V f = V i · (1+  · (t f – t i )). Nel caso in cui la temperatura iniziale è 0 ° C si ottiene: V = V 0 · (1+  · t f ). Il coefficiente di proporzionalità  prende il nome di coefficiente di dilatazione termica volmetricacoefficiente di dilatazione termica volmetrica TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

114 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 COEFFICIENTE di dilatazione termica VOLUMETRICA Il coefficiente di dilatazione termica volumetrica (  ) è una grandezza fisica scalare. È una caratteristica di tutti i materiali. Significa che ogni materiale ha un proprio coefficiente di dilatazione termica volumetrica. Si è osservato che il coefficiente di dilatazione termica volumetrica è uguale al triplo del coefficiente di dilatazione termica lineare. Cioè  = 3 · coefficiente di dilatazione termica lineare Il coefficiente di dilatazione termica volumetrica di un materiale è uguale alla variazione di volume di un corpo inizialmente avente un volume 1 metro 3 quando la sua temperatura aumenta di 1 ° C. L’unità di misura del coefficiente di dilatazione termica volumetrica nel S.I. è o anche. TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

115 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DILATAZIONE termica DEI GAS Quasi tutti i corpi (sia allo stato solido, sia allo stato liquido, sia a quello gassoso) all’aumentare della temperatura si dilatano e al diminuire della temperatura si restringono. Per quanto riguarda i gas la situazione è un po’ particolare, infatti un gas non ha dimensioni lineari proprie. Non ha lunghezza, larghezza, altezza, ma ha solo una superficie ed un volume che sono quelli del contenitore che lo contiene. Allora, per i gas,variando la temperatura solo due situazioni sono possibili: 1)il contenitore ha pareti fisse e rigide che non consentono alcuna variazione del volume. In tal caso varia la pressione; 2)Il contenitore ha pareti elastiche o mobili che consentono variazioni di volume a pressione costante. Entrambe le situazioni saranno studiate nella termodinamica.termodinamica TERMO- LOGIA DILATA- ZIONE

116 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TERMODINAMICA La termodinamica si occupa di studiare principalmente: –stato termodinamico di un gasstato termodinamico –trasformazioni termodinamiche,trasformazioni termodinamiche –diagrammi di stato, –l’equazione di stato di un gas perfetto. Si studiano anche: — il principio zero della termodinamica,principio zero della termodinamica — il primo principio della termodinamica,primo principio della termodinamica — il secondo principio della termodinamica,secondo principio della termodinamica — le macchine termiche e macchine frigorifere,macchine termiche e macchine frigorifere — il rendimento,rendimento — l’entropia TERMO- LOGIA

117 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 STATO termodinamico TERMO- LOGIA Se un gas si trova in condizioni tali da avere un dato volume, una data temperatura ed una data pressione il gas è in uno stato di equilibrio termodinamico. Lo stato di equilibrio termodinamico si chiama stato termodinamico del gas. Lo stato di un gas che non ha un dato volume (per esempio l’aria contenuta in una stanza con la finestra aperta), o che non ha una data temperatura (per esempio l’aria contenuta in una stanza con i termosifoni accesi), oppure che non ha una data pressione non è uno stato termodinamico. TERMO- DINAMICA

118 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TRASFORMAZIONE termodinamica TERMO- LOGIA La variazione dello stato termodinamico di un gas prende il nome di trasformazione termodinamica. Sono possibili infinte trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni reversibili o quasi statiche se avvengono lentamente, ovvero se istante per istante è possibile conoscere lo stato termodinamico in cui si trova il gas; Trasformazioni irreversibili se avvengono molto velocemente, ovvero se istante per istante NON è possibile conoscere lo stato termodinamico in cui si trova il gas. Studieremo solo le trasformazioni reversibili. Anche in questo caso sono possibili infinite trasformazioni, ma noi ne studieremo solo 5: trasformazioni isobaretrasformazioni isocore trasformazioni isotermichetrasformazioni isotermichetrasformazioni adiabatiche trasformazioni cicliche TERMO- DINAMICA

119 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tasformazione ISOBARA e 1° Legge di Gay-Lussac (1) TERMO- LOGIA La trasformazione termodinamica di un gas che avviene mantenendo costante la pressione, ma cambiando la la sua temperatura ed il suo volume si chiama TRASFORMAZIONE ISOBARA. Il tal caso la variazione di volume (  V ) del gas è proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) ed al volume iniziale (V i ) del gas stesso. Ossia  V =  · V i ·  t. Questa relazione è nota come “prima legge di Gay-Lussac”.  è il coefficiente di proporzionalità ed ha il valore di 0, °C -1 = 1/273,16 °C -1. La prima legge di Gay-Lussac può essere scritta in altro modo come vedi nella pagina seguentepagina seguente TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

120 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tasformazione ISOBARA e 1° Legge di Gay-Lussac (2) La prima legge di Gay-Lussac” scritta nella pagina precedente è:pagina precedente  V =  · V i ·  t dove  è il coefficiente di proporzionalità ed ha il valore di 0, °C -1 = 1/273,16 °C -1. Ma può essere scritta in altri modi:V f – V i =  · V i · (t f – t i ); V f = V i +  · V i · (t f – t i ); V f = V i · (1+  · (t f – t i )). Se la temperatura iniziale è 0 ° C si ottiene: V = V 0 · (1+  · t f ). Se sostituiamo la temperatura t in gradi Celsius con quella T in kelvin, ricordando che t = T – 273,16 otteniamo: V = V 0 · (1+  · (T – ));V = V 0 · (1+  · T –  · ); V = V 0 · (1+  · T – 1/ · ); V = V 0 · (1+  · T – 1); V = V 0 ·  · T. TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

121 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tasformazione ISOCORA e 2° Legge di Gay-Lussac (1) La trasformazione termodinamica di un gas che avviene mantenendo costante il volume, ma cambiando la la sua temperatura ed la sua pressione si chiama TRASFORMAZIONE ISOCORA o TRASFORMAZIONE ISOMETRICA. La prima legge di Gay-Lussac può essere scritta in altro modo come vedi nella Il tal caso la variazione di pressione (  p ) del gas è proporzionale alla variazione di temperatura (  t ) ed alla pressione iniziale (p i ) del gas stesso. Ossia  p =  · p i ·  t. Questa relazione è nota come “seconda legge di Gay-Lussac”.  è il coefficiente di proporzionalità ed ha il valore di 0, K -1 = 1/273,16 K -1. La seconda legge di Gay-Lussac può essere scritta in altro modo come vedi nella pagina seguente.pagina seguente TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

122 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tasformazione ISOCORA e 2° Legge di Gay-Lussac (2) La “seconda legge di Gay-Lussac” scritta nella pagina precedente è:  p =  · p i ·  t. Dove  è il coefficiente di proporzionalità ed ha il valore di 0, K -1 = 1/273,16 K -1. Ma può essere scritta in altri modi:p f – p i =  · p i · (t f – t i ); p f = p i +  · p i · (t f – t i );p f = p i · (1+  · (t f – t i )). Se la temperatura iniziale è 0 ° C si ottiene: p = p 0 · (1+  · t f ). Se sostituiamo la temperatura t in gradi Celsius con quella T in kelvin, ricordando che t = T – 273,16 otteniamo: p = p 0 · (1+  · (T – ));p = p 0 · (1+  · T –  · ); p = p 0 · (1+  · T – (1/273.16) ·273.16); P = p 0 · (1+  · T – 1);p = p 0 ·  · T. TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

123 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Tasformazione ISOTERMICA e Legge di Boyle La trasformazione termodinamica di un gas che avviene mantenendo costante la temperatura, ma cambiando la sua pressione ed il suo volume si chiama TRASFORMAZIONE ISOTERMICA. Il tal caso la pressione (p ) del gas è inversamente proporzionale al volume (V ) del gas stesso. Ossia p · V = K (costante) Questa relazione è nota come “legge di Boyle”. K è il coefficiente di proporzionalità inversa ed ha il valore che dipende dalle condizioni iniziali del gas. Ossia K = p i · V i La legge di Boyle può essere scritta come: p i · V i = p f · V f ; oppure:, oppure :. TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

124 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Trasformazione ADIABATICA La trasformazione termodinamica di un gas che avviene senza scambi di calore con l’ambiente esterno si chiama TRASFORMAZIONE ADIABATICA. In una trasformazione adiabatica tutte e 3 le variabili di stato termodinamiche (pressione, temperatura e volume) cambiano. TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

125 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Trasformazione CICLICA La trasformazione termodinamica di un gas in cui cambiano pressione, temperatura e volume ma in cui si raggiunge come stato termodinamico finale uno stato uguale a quello iniziale si chiama TRASFORMAZIONE CICLICA.come stato termodinamico Quindi in una trasformazione ciclica la pressione finale del gas è uguale a quella iniziale, la temperatura finale è uguale a quella iniziale ed il volume finale è uguale a quello iniziale TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA TRASFOR- MAZIONI

126 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRINCIPIO ZERO della termodinamica TERMO- LOGIA Il principio zero della termodinamica afferma che se 2 corpi sono in equilibrio termico con un terzo, allora anch’essi sono in equilibrio termico.equilibrio termico TERMO- DINAMICA

127 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PRIMO PRINCIPIO della termodinamica TERMO- LOGIA Il primo principio della termodinamica afferma con altre parole ciò che afferma il principio di conservazione dell’energia. Esso afferma che la variazione di energia interna (  U ) di sistema termodinamico è uguale al calore assorbito (Q a ) meno il calore ceduto (Q c ) meno il lavoro compiuto (L ). Ossia:  U = Q a – Q c – L. Esso è applicabile a tutte le trasformazioni termodinamiche. Vediamo come.Vediamo come TERMO- DINAMICA

128 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 1° principio della termodinamica nelle trasformazioni termodinamiche TERMO- LOGIA  Nelle trasformazioni isobare il lavoro L è uguale al prodotto della pressione p per la variazione di volume  V cioè L = p ·  V per cui il 1° principio della termodinamica diventa:  U = Q a – Q c – p ·  V  Nelle trasformazioni isocore giacche non c’è variazione di volume il lavoro è nullo, quindi il 1° principio della termodinamica diventa:  U = Q a – Q c  Nelle trasformazioni isotermiche giacche la temperatura non cambia non cambia la sua energia interna, quindi il 1° principio della termodinamica diventa 0 = Q a – Q c – L. Ovvero L = Q a – Q c, cioè il lavoro compiuto dal gas è uguale al calore assorbito dal gas.  Nelle trasformazioni adiabatiche Q a – Q c = 0, quindi il 1° principio della termodinamica diventa  U = – L. Ovvero il lavoro compiuto dal gas avviene solo a scapito della diminuzione di energia interna.  Nelle trasformazioni cicliche giacche la temperatura finale del gas e quella iniziale sono uguali, è nulla la variazione di energia interna quindi il 1° principio della termodinamica diventa 0 = Q a – Q c – L. Ovvero L = Q a – Q c, cioè il calore assorbito dal gas viene restituito all’ambiente esterno sotto forma di lavoro compiuto. TERMO- DINAMICA

129 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MACCHINA TERMICA e MACCHINA FRIGORIFERA TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA Una macchina che, facendo compiere una trasformazione ciclica ad un gas, consente di trasformare calore in lavoro si chiama macchina termica. Sappiamo che nelle trasformazioni cicliche il 1° principio della termodinamica afferma che il calore assorbito dal gas viene restituito all’ambiente esterno sotto forma di lavoro compiuto. Ma non tutto il calore assorbito in una trasformazione ciclica si trasforma in lavoro in quanto parte di esso viene ceduto. Infatti pur rimanendo valida la formula L = Q a – Q c sappiamo che Q c è sempre maggiore di zero. Questo significa che una macchina termica funziona solo tra 2 ambienti a temperature diverse. La macchina frigorifera invece è una macchina che percorre il ciclo in senso contrario. Essa preleva calore da un ambiente più freddo e lo cede ad un ambiente più caldo. Anche per le macchine frigorifere vale il 1° principio della termodinamica. L = Q a – Q c da cui Q c = Q a – L. Ma il lavoro non è compiuto dal gas ma subito.

130 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 RENDIMENTO di una macchina termica TERMO- LOGIA TERMO- DINAMICA Ogni macchina termica che trasforma calore in lavoro per funzionare deve agire tra 2 ambienti a temperature diverse. Non tutto il calore assorbito in una trasformazione ciclica si trasforma in lavoro in quanto parte di esso viene ceduto. Si chiama rendimento, il cui simbolo è  (eta), il rapporto tra il lavoro L compiuto dal gas ed il calore assorbito Q a dall’ambiente più caldo. Cioè:da cui si ottiene:. Quindi il rendimento è un numero puro (non ha unità di misura) ed è compreso tra un minimo di 0, nel caso in cui tutto il calore assorbito viene ceduto senza produrre lavoro, ed un massimo di 1 (rendimento del 100 %), nel caso in cui tutto il calore assorbito viene trasformato in lavoro senza cedere calore. Come vedremo il rendimento non potrà mai essere uguale a 1 (100 %).

131 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SECONDO PRINCIPIO della termodinamica TERMO- LOGIA Nelle trasformazioni cicliche il primo principio della termodinamica afferma che il calore assorbito dal gas viene restituito all’ambiente esterno sotto forma di lavoro compiuto, o meglio Q a – Q c = L. Teoricamente potrebbe essere possibile che Q c sia uguale a zero. Ma il secondo principio della termodinamica lo nega. Esso può essere esposto in diversi modi equivalenti tra loro. Ne enunciamo 3.  Enunciato di Kelvin: è impossibile costruire una macchina termica che (operando ciclicamente) trasformi tutto il calore assorbito (da un corpo più caldo) in lavoro senza cedere una parte di esso ad un corpo più freddo.  Enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione termodinamica che abbia come unico risultato quello di trasferire il calore da un corpo più freddo ad un corpo più caldo. Si noti che la macchina frigorifera trasferisce calore da un corpo più freddo (l’interno) ad un corpo più caldo (l’esterno), ma questo non è l’ unico risultato. Infatti ciò può avvenire solo fornendo energia alla macchina stessa.macchina frigorifera  Non è possibile realizzare una macchina termica tra 2 temperature T A >T B il cui rendimento sia pari al 100% anzi non è mai maggiore di 1 – T B /T A. TERMO- DINAMICA

132 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LE ONDE Quando la variazione di una grandezza fisica (perturbazione) in un luogo specifico si propaga in altri luoghi a distanza trasmettendo energia senza trasmissione di materia si forma un’onda. Un onda rappresenta quindi la propagazione a distanza di una perturbazione che trasporta energia senza trasporto di materia. Delle onde studieremo: I tipi di onde;tipi di onde I parametri caratteristici delle onde;parametri caratteristici La modifica delle onde in caso di cambiamento delle proprietà del mezzo;modifica delle onde Le onde sonore;onde sonore La luceluce

133 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 TIPI di onde Ci sono diversi tipi di onde dipendenti dal tipo di grandezza fisica: Onde meccaniche e Onde elettromagnetiche;Onde meccaniche e Onde elettromagnetiche dipendenti dalla direzione di propagazione: Onde unidimensionali, Onde bidimensionali e Onde tridimensionali; Onde unidimensionali, Onde bidimensionali e Onde tridimensionali dipendenti dal modo di propagazione: Onde longitudinali e Onde trasversali;Onde longitudinali e Onde trasversali Dipendenti dal modo di oscillazione; Onde periodiche, Onde armoniche, …;Onde periodiche, Onde armoniche LE ONDE

134 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Onde MECCANICHE e Onde ELETTROMAGNETICHE Le onde meccaniche sono onde generate da una perturbazione Meccanica (altezza, temperatura, pressione, …). Sono onde meccaniche quelle che si propagano lungo una corda tesa, o sulla superficie dell’acqua, oppure le onde sonore. Le onde meccaniche si propagano in mezzo (liquido, gas o solido elastico. Le onde elettromagnetiche sono onde generate da una perturbazione elettromagnetica (variazione di campo elettrico e campo magnetico). Sono onde elettromagnetiche le onde radio, le onde luminose, i raggi X. Le onde elettromagnetiche non hanno necessariamente bisogno di un mezzo in cui propagarsi, ma possono propagarsi anche nel vuoto. TIPI di ONDE LE ONDE

135 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Le onde unidimensionali sono onde che si propagano lungo una linea. È un esempio quella si propaga lungo una corda tesa; Le onde bidimensionali sono onde che si propagano su una superficie. Per esempio quelle che si formano sulla superficie dell’acqua; Le onde tridimensionali sono onde che si propagano nello spazio, ad esempio le onde radio e le onde sonore Onde unidimensionali, Onde bidimensionali Onde tridimensionali TIPI di ONDE LE ONDE

136 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Onde LONGITUDINALI e Onde TRASVERSALI Le onde longitudinali sono quelle che si propagano nella stessa direzione in cui oscillano. Per esempio sono longitudinali le onde sonore, oppure le onde di compressione e diradamento lungo una molla; Le onde trasversali sono quelle che si propagano in direzione perpendicolare a quella in cui oscillano. Per esempio sono trasversali le onde radio oppure quelle sulla superficie dell’acqua TIPI di ONDE LE ONDE

137 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Onde PERIODICHE Onde ARMONICHE La grandezza fisica variabile può raggiungere dei valori massimi e valori minimi. Se i valori massimi (o minimi) vengono raggiunti dopo intervalli di tempo regolari l’onda è periodica. Un onda è periodica se esiste un tempo minimo chiamato PERIODO dopo il quale si ripetono i massimi (o i minimi) della grandezza variabile. Se la grandezza varia secondo la funzione seno o coseno l’onda periodica è chiamata onda armonica TIPI di ONDE LE ONDE

138 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CARATTERISTICHE delle onde Alcune proprietà tipiche che caratterizzano un’onda sono: L’ampiezza,ampiezza Il periodo,periodo La frequenza,frequenza La forma,forma Le creste ed i ventri,cresteventri La lunghezza d’onda,lunghezza d’onda La velocità dell’onda,velocità dell’onda Il fronte d’onda,fronte d’onda Il raggio dell’ondaraggio dell’onda LE ONDE

139 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 AMPIEZZA di un onda L’Ampiezza (A) di un’onda è il valore massimo della perturbazione (scostamento dal valore di equilibrio). CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

140 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PERIODO dell’onda Il periodo (T) di un’onda è l’intervallo minimo di tempo in cui la perturbazione si ripete. Se l’onda è periodica il suo periodo corrisponde al tempo minimo tra 2 valori massimi (creste). Il periodo è il tempo necessario affinché l’onda compia un’oscillazione completa. L’unità di misura del periodo nel S.I. è il secondo (sec). CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

141 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FREQUENZA di un onda La Frequenza (f ) di un’onda corrisponde al numero di oscillazioni complete effettuate in un secondo. La frequenza (f ), pertanto, risulta uguale all’inverso del Periodo (T ), cioè: e quindi. L’unità di misura della frequenza è chiamato Hertz (Hz ). CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

142 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FORMA d’onda La Forma d’onda è il grafico dei valori assunti dalla perturbazione ad un tempo t fissato nei diversi punti del mezzo attraverso il quale essa si propaga. Nelle onde periodiche, dopo un tempo uguale al periodo (T ), la Forma d’onda si ripete uguale a se stessa. CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

143 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CRESTE e VENTRI di un’onda In un’onda periodica i valori massimi della perturbazione si ripetono dopo ogni periodo (T ). Tali valori massimi sono chiamati creste. In un’onda periodica i valori minimi della perturbazione si ripetono dopo ogni periodo (T ). Tali valori minimi sono chiamati ventri. CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

144 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LUNGHEZZA d’onda La lunghezza d’onda ( ) è la distanza tra due massimi (creste) o tra due minimi (ventri) consecutivi. L’unità di misura della lunghezza d’onda ( ) nel S.I. è il metro (m). CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

145 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 VELOCITA’ dell’onda La velocità dell’onda ( v ) è la velocità con cui l’onda si propaga. Essa è legata al periodo, alla frequenza ed alla lunghezza d’onda dalle seguenti formule:  La velocità delle onde meccaniche dipende dal mezzo in cui si propagano, e pertanto, siccome la frequenza dipende solo dalla sorgente, anche la lunghezza d’onda dipende solo dal mezzo. CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

146 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FRONTE d’onda Il Fronte d’onda è l’insieme dei punti raggiunti dall’onda in un determinato istante t. Nelle onde unidimensionali il fronte d’onda è un punto. Nelle onde bidimensionali il fronte d’onda è una linea. Se un’onda si propaga con la stessa velocità in tutte le direzioni il fronte d’onda è una circonferenza, avente come centro il punto da cui si origina la perturbazione. Nelle onde tridimensionali il fronte d’onda è una superficie. Se un’onda si propaga con la stessa velocità in tutte le direzioni il fronte d’onda è una sfera, avente come centro il punto da cui si origina la perturbazione. CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

147 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Il RAGGIO d’onda Il raggio dell’onda è la direzione di propagazione dell’onda. Il raggio d’onda è sempre perpendicolare al fronte d’onda della stessa onda. Un onda bidimensionale o tridimensionale ha, quindi, infiniti raggi d‘onda. CARATTE- RISTICHE dell’’ONDA LE ONDE

148 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MODIFICA di un ONDA Quando un onda si propaga in un mezzo che cambia le sue proprietà, oppure incontra un ostacolo, o incontra un’altra onda che si propaga nello stesso mezzo le caratteristiche dell’onda si modificano dando luogo a diversi fenomeni: la riflessione,riflessione la rifrazione,rifrazione la diffrazione,diffrazione La diffusione,diffusione l’interferenza,interferenza oppure può dare luogo alle onde stazionarieonde stazionarie LE ONDE

149 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La RIFLESSIONE Quando un’onda incontra un ostacolo che impedisce la sua propagazione viene respinta indietro. L’onda che raggiunge l’ostacolo è chiamata onda incidente, quella generata dall’ostacolo è chiamata onda riflessa. L’onda riflessa mantiene alcune caratteristiche invariate quali: l’ampiezza, il periodo, la frequenza, la lunghezza d’onda, la velocità dell’onda, ma cambia la direzione di propagazione. Nel fenomeno della riflessione per ciascun raggio d’onda valgono le due leggi della riflessioneleggi della riflessione MODIFICA delle ONDE LE ONDE

150 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 1° e 2° LEGGE della riflessione La prima legge della riflessione afferma che per ciascun raggio d’onda si verifica la seguente situazione: il raggio incidente (i), il raggio riflesso (r) e la normale (N) (retta passante per il punto di incidenza e perpendicolare al piano riflettente) giacciono sullo stesso piano La seconda legge della riflessione afferma che per ciascun raggio d’onda si verifica la seguente situazione:ciascun raggio incidente viene riflesso in modo tale che il suo angolo d’incidenza risulta uguale all’angolo di riflessione.  i =  r ii rr Raggio incidente (i) Raggio riflesso (r) N RIFLES- SIONE dell’’ONDA LE ONDE MODIFICA delle ONDE

151 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La RIFRAZIONE Quando un’onda incontra una superficie che separa due mezzi diversi oppure due porzioni dello stesso mezzo l’onda prosegue ma con caratteristiche differenti. L’onda che raggiunge la superficie è chiamata onda incidente, quella che prosegue oltre la superficie è chiamata onda rifratta. L’onda rifratta mantiene alcune caratteristiche invariate quali: l’ampiezza, il periodo e la frequenza, ma cambia la sua velocità, e conseguentemente la lunghezza d’onda, e la direzione di propagazione. Nel fenomeno della rifrazione per ciascun raggio d’onda valgono le due leggi della rifrazioneleggi della rifrazione MODIFICA delle ONDE LE ONDE

152 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 1° e 2° LEGGE della rifrazione La prima legge della rifrazione afferma che per ciascun raggio d’onda si verifica la seguente situazione: il raggio incidente (i), il raggio rifratto (R) e la normale (N) (retta passante per il punto di incidenza e perpendicolare al piano di rifrazione) giacciono sullo stesso piano La seconda legge della rifrazione afferma che per ciascun raggio d’onda si verifica la seguente situazione:ciascun raggio incidente viene rifratto in modo tale che il suo angolo d’incidenza risulta diverso dall’angolo di rifrazione.  i ≠  R (tranne nel caso in cui il raggio incidente sia perpendicolare al piano di rifrazione, in tal caso  i =  R = 0 ). Inoltre il rapporto assume sempre lo stesso valore ( n R ) chiamato indice di rifrazione relativoindice di rifrazione relativo Raggio rifratto (R) ii Raggio incidente (i) N RR RIFRA- ZIONE dell’’ONDA LE ONDE MODIFICA delle ONDE

153 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 INDICE DI RIFRAZIONE Il parametro n r dipende dai due mezzi fra i quali si verifica la rifrazione è l’indice di rifrazione relativo del secondo mezzo (quello in cui si propaga il raggio rifratto) rispetto al primo (quello in cui si propaga il raggio incidente). Se l’angolo di incidenza è maggiore dell’angolo di rifrazione l’indice di rifrazione è maggiore di 1; se l’angolo di incidenza è minore dell’angolo di rifrazione l’indice di rifrazione è minore di 1. Nelle onde elettromagnetiche (le uniche che si possono propagare anche nel vuoto), se l’onda incidente si proviene dal vuoto, l’indice di rifrazione relativo indicato con n ed è chiamato indice di rifrazione assoluto. Quindi l’indice di rifrazione assoluto n di un mezzo corrisponde all’indice di rifrazione relativo tra il vuoto ed il mezzo rifrangente considerato. Nelle onde elettromagnetiche l’indice di rifrazione relativo (n r ) di un mezzo 1 (con indice di rifrazione assoluto n 1 ) rispetto al mezzo 2 (con indice di rifrazione assoluto n 2 ) è uguale al rapporto tra i due indici di rifrazione assoluti: RIFRA- ZIONE dell’’ONDA LE ONDE MODIFICA delle ONDE

154 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La DIFFRAZIONE Quando un onda bidimensionale (onda piana) o tridimensionale (onda sferica) incontra un piccolo ostacolo o una piccola fenditura (praticata su un ostacolo di grandi dimensioni) si verifica il fenomeno della diffrazione. Il fenomeno della diffrazione consente all’onda di “aggirare” l’ostacolo raggiungendo punti altrimenti non raggiungibili. Il fenomeno è maggiormente evidente nei punti più vicini ai bordi dell’ostacolo (o della fenditura). Il fenomeno difficile da spiegare si può capire immaginando che l’onda superando l’ostacolo si comporta come se questo diventasse una sorgente (fittizia) di un’altra onda. MODIFICA delle ONDE LE ONDE

155 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La DIFFUSIONE Prendiamo in esame il caso di una superficie riflettente (su cui incide un onda) non è perfettamente liscia. Ciò significa che le singole porzioni di superfici non hanno tutte la stessa direzione (normale). In tal caso ciascun raggio d’onda incidente su questo tipo di superficie viene riflesso con le stesse leggi della riflessione che sono ancora valide, ma il diverso orientamento delle singole porzioni di superfici provoca una diversa direzione dei raggi riflessi. Pertanto si avrà che l’onda incidente viene riflessa sparpagliata in tutte le direzioni. Si ha quindi il fenomeno della diffusione dell’onda per riflessione MODIFICA delle ONDE LE ONDE RIFLES- SIONE dell’’ONDA

156 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 L’ INTERFERENZA Quando due onde si propagano in una stessa regione di spazio il valore della perturbazione in un punto in ogni istante è uguale alla somma dei valori che le singole onde produrrebbero da sole. Questo è noto come principio di sovrapposizione. L’interferenza si ha quando due onde armoniche si sovrappongono in uno stesso punto. Si possono verificare due tipi di interferenza: interferenza costruttiva e interferenza distruttiva. Si ha interferenza costruttiva quando le due onde oscillano in fase (raggiungendo i valori massimi nello stesso istante). In tal caso l’ampiezza dell’onda risultante è uguale alla somma delle ampiezze di ciascuna singola onda. Si ha interferenza distruttiva quando le due onde oscillano in opposizione di fase (una raggiunge i valori massimi negli istanti in cui l’altra raggiunge i valori minimi). In tal caso l’ampiezza dell’onda risultante è uguale alla differenza delle ampiezze di ciascuna singola onda. In particolare, se le due onde hanno la stessa ampiezza, l’ampiezza dell’onda risultante è nulla. MODIFICA delle ONDE LE ONDE

157 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Onde STAZIONARIE Quando un onda armonica si propaga lungo un mezzo dove le oscillazioni sono limitate nello spazio si ha il fenomeno dell’interferenza tra l’onda incidente e quella riflessa che hanno, ovviamente la stessa frequenza. Queste onde con la stessa velocità, ampiezza e frequenza si muovono con versi opposti. In tal caso l’onda risultante è chiamata onda stazionaria. I punti in cui si verifica l’interferenza distruttiva rimangono sempre fermi e si chiamano nodi. I punti in cui si verifica l’interferenza costruttiva oscillano con ampiezza massima e si chiamano ventri.ventri In un mezzo elastico lineare si realizza un’onda stazionaria quando la lunghezza L del mezzo è uguale ad un multiplo di mezza lunghezza d’onda: L MODIFICA delle ONDE LE ONDE

158 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL SUONO Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali che si propagano attraverso i corpi (liquidi, gas, ma anche solidi) e provocano le sensazioni uditive (suoni o rumori). Un’onda sonora è generata da una serie di compressioni (aumenti di pressione) e rarefazioni (diminuzioni di pressione) dell’aria. La perturbazione associata ad un’onda sonora è rappresentata dalla variazione di pressione (del mezzo in cui l’onda si propaga) rispetto al suo valore di equilibrio. Passiamo ora ad analizzare alcune particolarità delle onde sonore: la velocità del suono,velocità del suono le onde acustiche, gli infrasuoni e gli ultrasoni,onde acusticheinfrasuoni ultrasoni l’eco,eco l’intensità sonora.intensità sonora LE ONDE

159 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La VELOCITA’ del suono La velocità del suono varia a secondo del mezzo in cui si propaga. La velocità è più elevata nei solidi, più bassa nei liquidi ed ancora più bassa nei gas. Essa dipende anche dalla temperatura. La velocità è di circa: 330 m/s nell’aria, m/s nell’acqua e m/s nell’allumino. La velocità del suono (v), a pressione di 1 atm nell’aria, varia secondo la legge: v = ( ,6 t) m/s dove t è la temperatura dell’aria misurata in gradi Celsius IL SUONO LE ONDE

160 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Le ONDE ACUSTICHE Le onde sonore che hanno una frequenza minore di 20 Hz (dette anche infrasuoni) oppure maggiore di Hz (dette anche ultrasuoni) non vengono percepite dal nostro orecchio. Quelle che hanno una frequenza compresa tra i 20 Hz e i Hz vengono percepite dal nostro orecchio e perciò vengono chiamate onde acustiche IL SUONO LE ONDE

161 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La riflessione delle onde sonore Se l’onda sonora incontra una grossa parete che ne blocca la propagazione viene prodotta un’onda riflessa.onda riflessa Quindi se la distanza tra la sorgente e la parete è abbastanza grande si può notare questo fenomeno. Se quindi noi emettiamo un suono davanti ad una parete rocciosa di una montagna, dopo un tempo pari a quello di andata e ritorno dell’onda (da noi alla parete), possiamo risentire il nostro suono riflesso. Il suono riflesso prende il nome di eco. IL SUONO LE ONDE

162 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 L’INTENSITA’ del suono La quantità di energia meccanica trasportata da un’onda sonora che si trasmette su una superficie unitaria (1 m 2 ) ogni unità di tempo (1 s) prende il nome di intensità del suono. L’unità di misura dell’intensità del suono è quindi Joule al metro quadrato al secondo che è uguale anche a Watt al metro quadrato (ricorda che Joule al secondo è Watt). In simboli l’unità di misura è: L’intensità sonora (I ) di un’onda la cui potenza sonora ( P ) (energia emessa ogni secondo) diminuisce all’aumentare della distanza (d ) dalla sorgente secondo la formula: Per questo motivo man mano che ci si allontana dalla sorgente il suono lo si percepisce sempre più debole. IL SUONO LE ONDE

163 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Suoni e rumori Il nostro orecchio percepisce le onde sonore in modo diverso a seconda che si tratti di suoni (ad esempio quello di uno strumento musicale) o di rumori (ad esempio lo scricchiolio di una sedia). La differenza dipende dalle caratteristiche dell’onda.caratteristiche Si può notare che i suoni sono onde periodiche (con un certo periodo (T), mentre i rumori sono onde in cui la perturbazione (pressione dell’aria) varia in modo casuale senza un particolare periodo.onde periodicheperiodo IL SUONO LE ONDE

164 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Altezza, livello sonoro e timbro di un suono IL SUONO Il nostro orecchio differenzia un suono da un altro in base a tre caratteristiche: ALTEZZA, LIVELLO SONORO e TIMBRO L’altezza differenzia i suoni in acuti (altezza elevata) e gravi (altezza poco elevata). I suoni con maggiore altezza (acuti) sono quelli che hanno una frequenza d’onda elevata e viceversa quelli con minore altezza (gravi) sono quelli che hanno una frequenza d’onda bassa.frequenza d’onda Il livello sonoro viene misurato in decibel (dB) e corrisponde all’intensità della sensazione sonora (volume). Essa non è uguale all’intensità del suono ma dipende da essa in modo non proporzionale, ma esponenziale. Siccome l’intensità sonora minima percepibile da un orecchio normale è di circa W/m 2 questa corrisponde a 0 dB. Moltiplicando per 10 l’intensità sonora il livello sonoro aumenta di 10. (NOTA BENE: a 120 dB si ha la soglia del dolore, a dB si ha il rischio della rottura del timpano).intensità del suono Due suoni pur avendo la stessa altezza e lo stesso livello sonoro possono differire per il timbro. Due strumenti diversi che suonano la stessa nota musicale con stessa altezza e stesso livello sonoro emettono suoni distinguibili tra loro: cambia solo il timbro. Il timbro dipende dalla forma d’onda. Il suono puro è quello emesso da un diapason; esso è un onda armonica.onda armonica LE ONDE

165 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LA LUCE La luce è un’onda elettromagnetica che, a differenza delle onde meccaniche, non ha bisogno di un mezzo per propagarsi, ma sono in grado di propagarsi anche nel vuoto. La luce è generata da una variazione di campo elettrico e di campo magnetico in una sorgente. La frequenza dell’onda luminosa è molto elevata, la lunghezza d’onda molto piccola e la sua velocità (c) e di circa 300 mila chilometri al secondo. (c = m/s = 3∙10 8 m/s) Il nostro occhio percepisce l’onda come luce visibile se la sua frequenza è compresa tra Hz e Hz. Gli oggetti intorno a noi non sono sorgenti di luce, ma noi li percepiamo a causa dei fenomeni di riflessione, rifrazione, ecc della luce emessa da una sorgente. Pertanto possiamo analizzare: la riflessione della luce,riflessione della luce la rifrazione della luce,rifrazione della luce la diffusione della luce.diffusione della luce LE ONDE

166 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La riflessione della LUCE La luce viene riflessa con le stesse leggi della riflessione di un’onda qualsiasi. Pertanto si veda la pagina sulla riflessione. riflessione LA LUCELE ONDE

167 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 la rifrazione della LUCE La luce viene rifratta con le stesse leggi della rifrazione di un’onda qualsiasi. Pertanto si veda la pagina sulla rifrazione.rifrazione LA LUCELE ONDE

168 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 La diffusione della LUCE La luce viene diffusa allo stesso modo con cui viene diffusa un’onda qualsiasi. Pertanto si veda la pagina sulla diffusione.diffusione LA LUCELE ONDE

169 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 OTTICA In lavorazione

170 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ELETTROMAGNETISMO L’elettromagnetismo è quella parte della fisica che studia i fenomeni elettrici (ELETTROLOGIA),ELETTROLOGIA i fenomeni magnetici (MAGNETISMO) eMAGNETISMO le loro interazioni.interazioni

171 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ELETTROLOGIA Fino agli ultimi anni del 1700 non si conosceva ancora quasi nulla di elettrico: l’unico fenomeno conosciuto era quello dell’elettrizzazione dell’ambra sebbene non si era in grado di spiegare i motivi che lo causavano. L’elettrologia si interessa di Elettrizzazione, Corpi carichi e corpi neutri,ElettrizzazioneCorpi carichi e corpi neutri Conduttori ed isolanti elettrici, Legge di Coulomb,Conduttori ed isolanti elettriciLegge di Coulomb Grandezze tipiche dell’elettrologia, Circuiti elettrici,Grandezze tipiche dell’elettrologiaCircuiti elettrici Le leggi dei circuiti elettrici ELETTRO- MAGNETI- SMO

172 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 ELETTRIZZAZIONE Il nome elettricità deriva della resina naturale ambra il cui nome in greco è elektron. Fin dall’antichità si era notato che una bacchetta di ambra strofinata con un panno di lana acquistava la proprietà di attrarre a se piccoli oggetti come pezzettini di sughero, granelli di polvere o pezzetti di carta. Questo fenomeno veniva usato dai maghi per i loro giochi di prestigio. Un corpo è elettrizzato quando è in grado di attrarre piccoli oggetti nelle sue vicinanze. Si può elettrizzare un corpo in 3 modi diversi: per STROFINIO,STROFINIO per CONTATTO,CONTATTO per INDUZIONE.INDUZIONE ELETTRO- LOGIA

173 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Elettrizzazione per STROFINIO Strofinando con un panno di lana una bacchetta di vetro, o di plastica, o di ambra si può notare che la bacchetta attrae pezzetti di carta o briciole di sughero o altri piccoli oggetti. Ciò significa che la bacchetta si è elettrizzata. Anche il panno di lana si elettrizza. Non tutti i materiali si elettrizzano per strofino allo steso modo: alcuni si elettrizzano di più (gli isolanti), altri si elettrizzano di meno, altri non si elettrizzano affatto (i conduttori).isolanticonduttori Nello strofinio si ha un passaggio di elettroni da un corpo all’altro. In tal modo alla fine il corpo che ha ceduto elettroni ha più protoni che elettroni ed è carico positivo, l’altro che ha ricevuto elettroni ha più elettroni che protoni ed è carico negativo.elettroni protoni L’elettrizzazione per strofinio è un fenomeno permanente. ELETTRIZ- ZAZIONE ELETTRO- LOGIA ATOMI

174 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Elettrizzazione per CONTATTO L’elettrizzazione per contatto si ottiene quando un corpo non elettrizzato viene posto a contatto con un altro elettrizzato. Infatti, se un corpo elettrizzato tocca (si mette a contatto con) un altro non elettrizzato, si elettrizza anche quest’ultimo. In tal caso nel contatto si ha un passaggio di elettroni da un corpo all’altro (Se il corpo già elettrizzato è negativo esso cede parte degli elettroni in più, se è positivo li riceve). L’elettrizzazione per contatto è un fenomeno permanente. I corpi isolanti si elettrizzano più facilmente per strofinio ma poco per contatto poiché la carica ricevuta non può distribuirsi in tutto il corpoisolanti I corpi conduttori si elettrizzano facilmente per contatto poiché la carica ricevuta può facilmente distribuirsi in tutto il corpo ma si elettrizzano difficilmente per strofinio.conduttori ELETTRIZ- ZAZIONE ELETTRO- LOGIA ATOMI

175 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Elettrizzazione per INDUZIONE È possibile elettrizzare un corpo anche avvicinandolo (per induzione) ad un altro corpo già carico. In tal caso si nota che il primo corpo si elettrizza agli estremi (l’estremo più vicino e quello più lontano dal corpo già carico), ma non si elettrizza al centro. Esso si elettrizza ma rimane neutro poiché non c’è né acquisizione, né perdita di carica. Infatti le cariche dello stesso nome di quella del corpo carico tendono ad allontanarsi da esso, mentre le altre tendono ad avvicinarsi. Se il corpo neutro è conduttore, le cariche libere di muoversi realmente si spostano accumulandosi alle estremità (quelle dello stesso nome all’estremità più lontana, quelle di nome diverso all’estremità più vicina).conduttore Viceversa se il corpo neutro è isolante non può avvenire lo spostamento delle cariche elettriche al suo interno, ma solo un parziale “sporgersi” per cui il corpo risulta sì elettrizzato ma solo debolmenteisolante I corpi che non si elettrizzano per strofinio (i conduttori) si elettrizzano facilmente per induzione. L’elettrizzazione per induzione è temporanea: dura fin tanto che l’altro corpo rimane vicino, e viene persa non appena questo viene allontanato ELETTRIZ- ZAZIONE ELETTRO- LOGIA ATOMI

176 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CORPO CARICO e CORPO NEUTRO Dai molti esperimenti fatti per studiare il fenomeno dell’elettrizzazione si è capito che nello strofinio si ha un passaggio di materia da un corpo all’altro. Questa materia che passa (fatta da particelle subATOMIche) possiede CARICA ELETTRICA. Un corpo che ha acquistato o perso carica elettrica è un CORPO CARICO, viceversa il corpo è NEUTRO. Esistono due tipi di carica elettrica:carica positiva e carica negativa.carica positivacarica negativa ELETTRO- LOGIA ATOMI

177 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CARICA POSITIVA e NEGATIVA Due corpi con carica dello stesso tipo si respingono, mentre due corpi con carica di tipo diverso si attraggono. Ai due tipi è stato attribuito (per convenzione) un nome particolare. Storicamente è stato dato il nome di CARICA POSITIVA alla carica posseduta dalla bacchetta di VETRO dopo essere stata strofinata con la LANA. È stato dato il nome CARICA NEGATIVA all’atro tipo di carica, quella in grado di attrarre la bacchetta di vetro strofinata con la lana Si è scoperto successivamente che la carica posseduta dai protoni è positiva e quella posseduta dagli elettroni è negativa. Un corpo è carico positivo quando ha più protoni che elettroni, è carico negativo quando ha più elettroni che protoni. CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

178 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CONDUTTORI ED ISOLANTI I I corpi CONDUTTORI sono corpi che hanno alcune particelle cariche libere di spostarsi all’interno del corpo da un’estremità all’altra di esso. I corpi ISOLANTI sono quelli che, pur avendo particelle cariche al suo interno, queste non possono spostarsi all’interno del corpo da un’estremità all’altra di esso. Cambiando materiale, cambia sia il numero di particelle cariche che sono libere di spostarsi all’interno di un conduttore sia la facilità con cui possono spostarsi. Non esistono materiali completamente isolanti. Esistono dei materiali che non sono buoni conduttori e non sono nemmeno buoni isolanti. Questi sono chiamati SEMICONDUTTORI.SEMICONDUTTORI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

179 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 L’ATOMO La parte più piccola di una sostanza è la MOLECOLA. La molecola è composta da particelle più piccole chiamate ATOMI. L’atomo è composto da 3 tipi di particelle: i PROTONI dotati di carica elettrica positiva, gli ELETTRONI dotati di carica elettrica negativa ed i NEUTRONI che non hanno carica elettrica.PROTONIELETTRONINEUTRONI Inizialmente non si conosceva la struttura dell’atomo e quindi non si conosceva né il numero di particelle all’interno di ciascuna molecola, né quali particelle erano libere di muoversi e quali no. Una cosa era però chiara: all’interno di un corpo neutro il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Nel caso in cui un atomo perde (o acquista elettroni) il numero dei protoni non è più uguale al numero degli elettroni e quindi l’atomo è carico. Un atomo carico è detto IONE. Uno ione può essere positivo se ha perso elettroni, negativo se ne ha acquistato. Gli ioni, in un fluido, si muovono liberamente da una zona all’altra di esso. CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

180 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 L’ELETTRONE L’elettrone è una particella di cui è composto l’atomo.atomo Ha carica negativa q e = -1,6 x C Ha massa m e = 9,1 x 10 –31 kg Avendo una massa molto più piccola del nucleo esso si muove ruotando attorno ad nucleo.nucleo ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

181 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL PROTONE Il protone è una delle tre particelle di cui è composto l’atomo. Ha carica positiva q p = 1,6 x C Ha massa m P = 1,7 x 10 –27 kg I protoni insieme ai neutroni formano il nucleo dell’atomo.neutroninucleo ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

182 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL NEUTRONE Il neutrone è una delle tre particelle di cui è composto l’atomo. Non ha carica elettrica Ha massa m n = 1,7 x 10 –27 kg (pressoché uguale a quella del protone) I neutroni insieme ai protoni formano il nucleo dell’atomo.protoninucleo ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

183 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IL NUCLEO DELL’ATOMO Il nucleo dell’atomo è composto da particelle tenute insieme da forze nucleari ed è composto da protoni (aventi carica elettrica positiva) e neutroni (senza carica elettrica).protoni neutroni Ha una massa circa uguale a quella dell’intero atomo ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

184 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 SEMICONDUTTORI I semiconduttori sono corpi formati da materiali i cui atomi hanno 4 elettroni sull’ultimo orbitale. Pertanto non sono buoni isolanti in quanto gli elettroni non sono fortemente legati al proprio nucleo, e non sono buoni conduttori in quanto gli elettroni non sono debolmente legati al proprio nucleo, e quindi si trovano in una situazione intermedia: a temperatura ambiente sono isolanti, diventano un po’ conduttori a temperature più elevate. Possono essere drogati tramite la diffusione al loro interno di atomi trivalenti (drogaggio di tipo P) o pentavalenti (drogaggio di tipo N). Dalla giunzione di un semiconduttore drogato di tipo P con uno di tipo N si ottiene un DIODO che è un dispositivo conduttore se sottopostoa ad una tensione elettrica di un certo verso, ed isolante se il verso è contrario. Dalla giunzione di due diodi contrapposti si ottiene un transistor. Dal collegamento di più transistor si ottiene un componente elettronico. I microprocessori sono circuiti elettronici. CONDUT- TORI e ISOLANTI ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

185 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 IONE Si chiama ione un atomo che ha ceduto oppure ha ricevuto uno o più elettroni.atomoelettroni Se l’atomo ha ceduto elettroni esso è diventato uno ione positivo. Se l’atomo ha ricevuto elettroni esso è diventato uno ione negativo. ATOMI CORPO CARICO ELETTRO- LOGIA

186 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 LEGGE DI COULOMB Tra due corpi carichi si manifesta sempre una forza elettrica. Essa è attrattiva se uno ha carica positiva e l’altro carica negativa; essa è repulsiva se entrambi hanno cariche positive oppure entrambi cariche negative. La forza elettrica dipende dalla distribuzione delle cariche elementari (elettroni o ioni) nei corpi carichi.corpi carichielettroniioni Se consideriamo due corpi carichi di piccole dimensioni (cariche puntiformi) allora la forza tra di essi dipende solo dalla carica di ciascuno di essi, dalla loro distanza e dall’isolante che li separa. Si può notare sperimentalmente che la forza elettrica (F ) tra due corpi carichi puntiformi è direttamente proporzionale al valore di ciascuna delle due cariche (Q 1 e Q 2 ) ed è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (d ). Tradotto n formula si ha: dove k è un numero fisso chiamato costante di Coulomb. Per il vuoto k assume il valore di Questa è la legge di Coulomb ELETTRO- LOGIA

187 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Grandezze tipiche dell’elettrologia Le grandezze tipiche dell’elettrologia sono: Il Campo elettrico,Campo elettrico L’energia potenziale elettrica,energia potenziale elettrica Il potenziale elettrico,potenziale elettrico La differenza di potenziale elettrico,differenza di potenziale elettrico La corrente elettrica.corrente elettrica ELETTRO- LOGIA

188 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO ELETTRICO Il campo elettrico è una proprietà (caratteristica) dei punti dello spazio. È una grandezza fisica vettoriale e derivata che si indica con (E ). Esso rappresenta la capacità che un punto possiede di manifestare una forza elettrica qualora in quel punto venga posta una carica elettrica.forza elettrica carica elettrica Il campo elettrico in un punto si calcola facendo il rapporto tra la forza elettrica (F ), che agisce sulla carica posta in quel punto, ed il valore (q) della carica stessa (chiamata anche carica di prova). Ovvero La sua unità di misura, nel S.I., è pertanto: Newton fratto Coulomb Il campo elettrico in un punto è generato da una o più cariche elettriche poste a distanza dal punto stesso. Infatti ogni carica genera un campo elettrico in tutti i punti attorno a se stessa. Il campo elettrico in un punto P risulta quindi uguale alla somma vettoriale dei campi generati dalle singole cariche puntiformi poste a distanza da P. Si può dimostrare che il valore del campo elettrico in un punto a distanza (d ) da una carica puntiforme (Q) (detta carica generatrice del campo) è dove k è la costante di Coulomb GRANDEZ- ZE TIPICHE ELETTRO- LOGIA

189 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 L’energia potenziale elettrica è l’energia che possiedono i corpi carichi e che dipende dalla posizione reciproca.energia Tra due corpi carichi si manifesta sempre energia potenziale elettrica. Infatti ciascuna di esse è in grado di compiere lavoro sull’altra applicandole una forza elettrica (legge di Coulomb) e spostandola. L’energia potenziale elettrica dipende dalla distribuzione delle cariche elementari (elettroni o ioni) nei corpi carichi.corpi carichilavoroelettroniioni Se consideriamo due corpi carichi di piccole dimensioni (cariche puntiformi) allora l’energia potenziale tra di essi dipende solo dalla carica di ciascuno di essi, dalla loro distanza e dall’isolante che li separa. Si può notare sperimentalmente che l’energia potenziale elettrica (U ) tra due corpi carichi puntiformi è direttamente proporzionale al valore di ciascuna delle due cariche (Q 1 e Q 2 ) ed è inversamente proporzionale alla loro distanza (d ). Tradotto n formula si ha: dove k è un numero fisso chiamato costante di Coulomb. Per il vuoto k assume il valore di ENERGIA POTENZIALE ELETTRICA GRANDEZ- ZE TIPICHE ELETTRO- LOGIA

190 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 POTENZIALE ELETTRICO Il potenziale elettrico è una proprietà (caratteristica) dei punti dello spazio. È una grandezza fisica scalare e derivata che si indica con (V ). Esso rappresenta la capacità che un punto possiede di manifestare energia potenziale elettrica qualora in quel punto venga posta una carica elettrica.energia potenzialecarica elettrica Il potenziale elettrico in un punto si calcola facendo il rapporto tra l’energia potenziale elettrica (U ), che possiede la carica posta in quel punto, ed il valore (q) della carica stessa (chiamata anche carica di prova). Ovvero La sua unità di misura, nel S.I., è pertanto: Joule fratto Coulomb chiamata Volt Il potenziale elettrico in un punto è generato da una o più cariche elettriche poste a distanza dal punto stesso. Infatti ogni carica genera un potenziale elettrico in tutti i punti attorno a se stessa. Il potenziale elettrico in un punto P risulta quindi uguale alla somma dei potenziali generati dalle singole cariche puntiformi poste a distanza da P. Si può dimostrare che il potenziale elettrico in un punto a distanza (d ) da una carica puntiforme (Q) (detta carica generatrice del campo) è dove k è la costante di Coulomb GRANDEZ- ZE TIPICHE ELETTRO- LOGIA

191 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 DIFFERENZA DI POTENZIALE La differenza di potenziale elettrico tra due punti viene indicata con (d.d.p.) oppure con (  V ), ed è chiamata anche tensione elettrica o anche forza elettromotrice (f.e.m.). È una grandezza scalare e derivata ed è uguale alla differenza tra il potenziale elettrico in un punto (A) e quello in un altro punto (B), cioè:  V AB = V A – V B.potenziale elettrico È uguale al lavoro (L ) che una carica unitaria (q ) deve compie per andare da uno all’altro dei due punti considerati. Quindi L AB = q ·  V AB È possibile calcolare la d.d.p. agli estremi di un elemento prendendo in considerazione i punti alle due estremità dell’elemento. Se tra due punti c’è una d.d.p. le cariche elettriche presenti nelle vicinanze tenderanno a muoversi perdendo energia potenziale. Quindi le cariche positive tendono ad andare dai punti a potenziale maggiore verso quelli a potenziale minore; viceversa le cariche negative tendono ad andare dai punti a potenziale minore verso quelli a potenziale maggiore. Se prendiamo in considerazione due punti a distanza (d ) in una zona dove il campo elettrico (E ) è uniforme (cioè costante in tutti i punti in valore, direzione e verso) succede che tra i due punti esiste una d.d.p. (  V ) uguale al prodotto scalare ta il campo elettrico e la distanza. Ovvero:  V = E · d GRANDEZ- ZE TIPICHE ELETTRO- LOGIA

192 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CORRENTE ELETTRICA La corrente elettrica rappresenta il passaggio ordinato ed ordinato di cariche elettriche dentro un corpo conduttore. Nei corpi solidi la corrente è formata da elettroni (cariche negative), in quanto i protoni (cariche positive) essendo all’interno del nucleo che forma l’atomo non possono muoversi. Infatti nei solidi gli atomi oscillano attorno a posizioni reciproche fisse.elettroniprotoniatomo Nei corpi fluidi (liquidi e gas) la corrente è formata da ioni positivi (atomi che hanno perso elettroni) e da ioni negativi (atomi che hanno ricevuto elettroni). Intatti nei fluidi gli atomi non sono vincolati ad occupare posizioni reciproche fisse, per cui possono spostarsi liberamente.ioni La corrente elettrica (simbolo i ) è una grandezza fisica fondamentale e scalare che ha come unità di misura Ampere (simbolo A). Si misura con l’amperometro (che deve essere collegato in serie al conduttore in cui essa circola). Il valore (intensità) della corrente elettrica (i ) indica quanta carica (Q) passa ogni secondo all’interno del conduttore. GRANDEZ- ZE TIPICHE ELETTRO- LOGIA

193 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CIRCUITO ELETTRICO Un circuito elettrico è un insieme di elementi (corpi conduttori elettrici) opportunamente collegati fra loro.conduttori Ogni elemento o gruppo di elementi può formare un dispositivo utilizzabile per un determinato scopo. Ogni circuito deve avere almeno un elemento attivo (generatore di tensione oppure generatore di corrente) ed almeno un elemento passivo (utilizzatore). Gli elementi attivi in un circuito possono trovarsi da soli oppure in serie (batteria). Sono elementi attivi: le pile,pile gli accumulatori, le dinamo, gli alternatori Gli elementi passivi in un circuito possono essere uno o più. Sono elementi passivi: i resistori,resistori i condensatori,condensatori le lampadine, i diodi ELETTRO- LOGIA

194 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 RESISTORE ELETTRICO e LEGGI DI OHM Si chiama resistore elettrico un conduttore che ha la resistenza elettrica costante.conduttoreresistenza elettrica Per esso vale la 1° e la 2° legge di Ohm. In un circuito è rappresentato dal simbolo grafico: La 1° legge di Ohm afferma che in un resistore il rapporto tra la differenza di potenziale elettrico (  V ) ai suoi estremi e la corrente elettrica (i ) che in esso vi circola è sempre costante qualunque la differenza di potenziale a cui è sottoposto. Questo rapporto si chiama resistenza e si indica con il simboloresistenza (R ). Ovvero: La 2° legge di Ohm afferma che la resistenza elettrica di un resistore dipende dalla sua forma e dal materiale con cui esso è fatto. In particolare per un resistore di lunghezza ( ) e sezione (S ), la resistenza (R ) è direttamente proporzionale alla lunghezza ed inversamente proporzionale alla sezione. Ovvero: dove  è una costante che dipende dal materiale. CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

195 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 RESISTENZA ELETTRICA La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare e derivata caratteristica dei corpi conduttori. Ha come simbolo (R ).conduttor Essa è uguale al rapporto tra la differenza di potenziale elettrico (  V ) agli estremi di un conduttore e la corrente elettrica (i ) che in esso vi circola.differenza di potenziale corrente elettrica Ovvero: L’unità di misura della resistenza elettrica è: Volt fratto Ampere. Volt fratto Ampere viene chiamato anche Ohm, il cui simbolo è . Quindi: Non tutti i conduttori hanno la resistenza costante. I conduttori con resistenza costante vengono chiamati resistori.resistori Lo strumento di misura della resistenza elettrica si chiama ohmetro. CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

196 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 GENERATORE ELETTRICO Il generatore è l’elemento attivo di un circuito elettrico.circuito elettrico I generatori possono essere generatori di tensione o generatori di corrente. Il generatore di tensione è un dispositivo che mantiene costante la differenza di potenziale ai suoi estremi qualunque siano gli elementi passivi ad esso collegati. Un esempio è la pila.differenza di potenziale pila Il generatore di corrente è un dispositivo che mantiene costante la corrente elettrica al suo interno qualunque siano gli elementi passivi ad esso collegati.corrente elettrica Inoltre ci sono due tipi di generatori: quelli in corrente continua e quelli in corrente alternata. Sono generatori in corrente continua quelli che funzionano attraversati da corrente di cariche che mantengono sempre lo stesso verso di circolazione. Sono generatori in corrente alternata quelli che funzionano attraversati da corrente di cariche che cambiano periodicamente il verso di circolazione, oscillando con una frequenza particolare. CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

197 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PILA La pila è un dispositivo in grado di mantenere costante la differenza di potenziale  V alle sue estremità. La prima pila fu inventata da Alessandro volta. Essa era costituita da una serie alternata di 3 dischetti impilati l’uno sull’altro, uno di rame, uno di zinco separati da uno costituito da una pezzetta imbevuta di acido solforico. CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA VV ram e Acido solforico zinc o Le pile attualmente in commercio sono fat- te in maniera diversa, ma sono costituite sempre da 2 conduttori di ma- teriale diverso sepa- rate da una soluzio- ne acida. Cliccare per vedere l’animazione Cliccare per continuare

198 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CONDENSATORE ELETTRICO Il condensatore è un unico dispositivo elettrico costituito da 2 conduttori (chiamati armature) separati da un isolante (chiamato dielettrico). Il condensatore sottoposto ad una differenza di potenziale (  V ) costante (ad esempio una pila) si comporta come un isolante: non consente il passaggio di cariche elettriche da una sua estremità all’altra (corrente elettrica) ma in ciascuna delle sue armature si accumula una carica elettrica di uguale valore (Q ) ma di differente segno. In tal caso si dice che il condensatore è carico. Se si scollega il condensatore dalla pila che lo ha caricato esso rimane carico poiché la carica da un’armatura non può passare all’altra per via dell’isolante. Se si collegano fra loro con un conduttore le armature di un condensatore carico esso, in un tempo abbastanza breve, si scarica in quanto le cariche da un’armatura passano all’altra tramite il conduttore che le collega. La grandezza fisica tipica di un condensatore è la sua capacità.capacità CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

199 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAPACITA’ del condensatore La grandezza fisica tipica di un condensatore è la sua capacità. Si definisce capacità (C ) del condensatore il rapporto tra la carica (Q ) sull’armatura e la differenza di potenziale (  V ) a cui è sottoposto. Quindi:. CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA La capacità di un condensatore dipende dall’area delle superfici delle armature affacciate, dalla distanza tra le armature e dal dielettrico che le separa. Essa è tanto maggiore quanto maggiore sono le superficie affacciate e quanto minore e la distanza tra le armature. La capacità è quindi una grandezza fisica scalare e derivata ù. La sua unità di misura nel S.I. è il Farad (F ) che equivale a Coulomb fratto Volt ossia:.

200 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Due o più elementi di un circuito sono collegati in SERIE se, e solo se, sono attraversati dalla stessa corrente elettrica. Due o più resistori collegati in serie possono essere sostituiti da un resistore equivalente senza che nella rimanente parte del circuito cambi nulla. In tal caso succede che:resistori 1. la corrente (i S ) che circola nel resistore equivalente è la stessa che circola in ciascuno dei resistori sostituiti. Ovvero: i S = i 1 = i 2 = …; 2. la resistenza equivalente (R S ) è uguale alla somma delle singole resistenze dei resistori sostituiti. Ovvero: R S = R 1 + R 2 + …; 3. la differenza di potenziale agli estremi del resistore equivalente (  V S ) è uguale alla somma delle differenze di potenziale agli estremi di ciascuno dei resistori sostituiti. Ovvero:  V S =  V 1 +  V 2 + …. Due o più condensatori collegati in serie possono essere sostituiti da un condensatore equivalente senza che nella rimanente parte del circuito cambi nulla. In tal caso succede che:condensatori 1. la carica (Q S ) sull’armatura del resistore equivalente è la stessa di quella in ciascuno dei condensatori sostituiti. Ovvero: Q S = Q 1 = Q 2 = …; 2. L’inverso della capacità del condensatore equivalente ( ) è uguale alla somma degli inversi delle singole capacità dei condensatori sostituiti. Ovvero: ; 3. la differenza di potenziale agli estremi del condensatore equivalente (  V S ) è uguale alla somma delle differenze di potenziale agli estremi di ciascuno dei condensatori sostituiti. Ovvero:  V S =  V 1 +  V 2 + …. COLLEGAMENTO IN SERIE CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

201 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Due o più elementi di un circuito sono collegati in PARALLELO se, e solo se, hanno la stessa differenza di potenziale ai loro estremi. Due o più resistori collegati in parallelo possono essere sostituiti da un resistore equivalente senza che nella rimanente parte del circuito cambi nulla. In tal caso succede che:resistori 1. la differenza di potenziale agli estremi del resistore equivalente (  V P ) è uguale alla differenza di potenziale agli estremi di ciascuno dei resistori sostituiti. Ovvero:  V P =  V 1 =  V 2 = … 2. l’inverso della resistenza equivalente ( ) è uguale alla somma degli inversi delle resistenze dei singoli resistori sostituiti. Ovvero: ; 3. la corrente (i P ) che circola nel resistore equivalente è uguale alla somma delle correnti che circolano in ciascuno dei resistori sostituiti. Ovvero: i P = i 1 + i 2 + …. Due o più condensatori collegati in parallelo possono essere sostituiti da un condensatore equivalente senza che nella rimanente parte del circuito cambi nulla. In tal caso succede che:condensatori 1. la differenza di potenziale agli estremi del condensatore equivalente (  V P ) è uguale alla differenza di potenziale agli estremi di ciascuno dei condensatori sostituiti. Ovvero:  V P =  V 1 =  V 2 = …; 2. la carica sulle armature del condensatore equivalente (Q P ) è uguale alla somma delle cariche sulle armature dei singoli condensatori sostituiti. Ovvero: Q p = Q 1 + Q 2 + …; 3. la capacità (C P ) del condensatore equivalente è uguale alla somma delle capacità di ciascuno dei condensatori sostituiti. Ovvero: C S = C 1 + C 2 + …. COLLEGAMENTO IN PARALLELO CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

202 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 POTENZA ELETTRICA La potenza elettrica generata (P ) è la sveltezza con cui viene generata l’energia potenziale elettrica da un generatore. La potenza elettrica dissipata (P ) è la sveltezza con cui viene persa l’energia potenziale elettrica in un conduttore. In un circuito elettrico la potenza totale generata dai generatori è uguale alla potenza totale dissipata dagli elementi passivi del circuito stesso. Quando in un conduttore circola una corrente elettrica (i ) ai suoi estremi c’è una differenza di potenziale (  V ) che è uguale al prodotto della corrente per la resistenza (R ) del conduttore (  V =R · i ). Quindi il conduttore avrà un punto (che chiameremo punto A) a potenziale più alto ed un punto (che chiameremo punto B) a potenziale più basso. Ogni carica (Q ) che si sposta dal punto a potenziale più alto (A) al punto a potenziale più basso (B) perde energia potenziale elettrica (U ). Intatti nel punto A ha ha energia U A = Q · V A e nel punto B ha ha energia U B = Q · V B Pertanto l’energia persa sarà uguale a  U = U A – U B = = Q · V A – Q · V B = Q · (V A – V B ) = Q ·  V. La potenza elettrica è quindi uguale a:potenza CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

203 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 EFFETTO JOULE In un conduttore, l’energia elettrica persa (grazie agli urti tra le cariche elettriche, elettroni e/o ioni, e i nuclei degli atomi fermi) si trasforma in aumento dell’energia cinetica delle particelle coinvolte. Questa è percepita in modo macroscopico come aumento dell’energia termica. Questo aumento di energia termica produce oltre ad un aumento di temperatura, anche calore disperso nell’ambiente. Quindi la potenza elettrica dissipata si trasforma in energia termica prodotta. Cioè ogni conduttore in cui circola corrente elettrica si riscalda consumando energia potenziale elettrica.potenza elettrica Questo fenomeno prende il nome di EFFETTO JOULE. Quindi un conduttore in cui circola corrente elettrica produce potenza termica che è uguale alla potenza elettrica dissipata. Essa è uguale a: od anche: CIRCUITI ELETTRICI ELETTRO- LOGIA

204 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 MAGNETISMO Il magnetismo si occupa delle forze magnetiche e dei corpi magnetici.forze magnetiche È un CORPO MAGNETICO quel corpo che è in grado di attrarre a sé altri corpi ferrosi e/o particolari metalli. Esso è chiamato semplicemente magnete. Un corpo magnetico è costituito da sostanze chiamate sostanze ferromagnetiche. Un corpo magnetico viene chiamato anche calamita. Ci sono due tipi di corpi magnetici: magneti naturali (come la magnetite) e magneti artificiali (calamite ottenute magnetizzando un corpo artificialmente). Ci sono due tipi di magneti artificiali: quelli temporanei e quelli permanenti. Ciascun magnete ha sempre due poli magnetici.poli magnetici Nel magnetismo, quindi, si studiano gli argomenti indicati nella pagina successiva.pagina successiva ELETTRO- MAGNETI- SMO

205 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Argomenti del MAGNETISMO Nel magnetismo, quindi, si studia: Poli magnetici, Poli magnetici Forze magnetiche, Forze magnetiche Campo magnetico, Campo magnetico Campo magnetico generato da correnti in circuiti particolari, Campo magnetico generato da correnti in circuiti particolari Forze magnetiche tra due fili paralleli percorsi da correnti, Forze magnetiche tra due fili paralleli percorsi da correnti Proprietà magnetiche della materia. Proprietà magnetiche della materia ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO

206 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 POLI MAGNETICI Ciascun magnete ha SEMPRE due poli magnetici. Infatti se appoggiamo un qualsiasi magnete su della limatura di ferro notiamo che esso la attrae alle due estremità, ma non nella parte centrale. Ciascuna di queste estremità è un polo magnetico. Si può notare che i 2 poli hanno proprietà diverse. Infatti, se proviamo ad avvicinare i poli di 2 magneti diversi e notiamo che essi si attraggono, non appena invertiamo uno dei 2 poli essi si respingono. Quindi occorre dare un nome diverso ai due tipi di polo magnetico. Per farlo si sfruttano le proprietà magnetiche del pianeta terra. Procediamo in questo modo: sospendiamo un magnete ad un filo sottile, notiamo che esso si mette a ruotare oscillando in senso e nell’altro. Aspettiamo che, grazie all’attrito con l’aria smetta di oscillare e notiamo che esso si posiziona (si orienta) con un polo verso il Nord geografico della terra e l’altro verso il Sud geografico. Quello che si orienta verso il Nord è sempre lo stesso polo che chiamiamo POLO NORD magnetico del magnete (N) e l’altro POLO SUD magnetico del magnete. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO

207 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FORZE MAGNETICHE Si può notare che la forza tra due magneti è attrattiva tra poli magnetici avente nome diverso ed è repulsiva tra poli magnetici avente lo sesso nome. Se il pianeta terra fa orientare un magnete libero di ruotare vuol dire che esso stesso è un grosso magnete. Quindi anche la terra ha 2 poli magnetici. Giacché il polo Nord magnetico del magnete è attratto dal polo Nord geografico della terra, in tale zona c’è il polo Sud magnetico della terra. Tale polo magnetico non corrisponde esattamente con il polo geografico, ma è spostato di qualche centinaio di chilometri. Si può notare che non è possibile ottenere un corpo con una sola polarità. Infatti se si spezza una calamita in due cercando di ottenere un corpo con il solo polo Nord e l’altro con il solo polo Sud notiamo che ciascuno dei due corpi separati ha ancora una volta entrambi i poli. Procedendo come abbiamo fatto con le forze elettriche possiamo introdurre il concetto di campo magnetico.campo magnetico ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO

208 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO MAGNETICO ELETTRO- MAGNETI- SMO Il campo magnetico è una proprietà (caratteristica) dei punti dello spazio. Esso rappresenta la capacità che un punto possiede di manifestare una forza magnetica qualora in quel punto venga posto un corpo avente proprietà magnetiche.forza magnetica Il campo magnetico può essere generato dai corpi magnetici o dalle correnti elettriche come ha notato per primo il fisico Oersted. È una grandezza fisica vettoriale e derivata che si indica con (B ). Vediamo come, in casi particolari, si determina la direzione, il verso e l’intensità del campo magnetico.direzioneversointensità L’unità di misura del campo magnetico nel S.I. è il Tesla (T) che equivale a: o. MAGNE- TISMO

209 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Direzione del CAMPO MAGNETICO La direzione del campo magnetico si può ricavare conoscendo le linee di forza del campo magnetico. Le linee di forza del campo magnetico sono facilmente visualizzabile tramite la limatura di ferro. Spruzzando della limatura di ferro questa si dispone in modo da formare delle linee chiamate appunto linee di forza del campo magnetico. La direzione del campo magnetico in ogni punto è la retta tangente alla linea di forza in quel punto. Un altro modo per visualizzare la direzione del campo magnetico è quello di utilizzare un piccolo ago magnetizzato libero di ruotare nelle tre dimensione (bussola tridimensionale). La direzione in cui si dispone l’ago è la direzione del campo magnetico. Le linee di forza del campo magnetico generato da un magnete sono line che escono dal polo Nord ed entrano nel polo Sud del magnete. Le linee di forza del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente elettrica sono circonferenze concentriche perpendicolari al filo aventi come centro il filo stesso. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO

210 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Verso del CAMPO MAGNETICO Definiamo verso del campo magnetico quello che va dal polo Nord verso il polo Sud. Un modo per visualizzare il verso del campo magnetico è quello di utilizzare un piccolo ago magnetizzato libero di ruotare nelle tre dimensione (bussola tridimensionale). Il verso e quello che va dal polo Nord verso il polo Sud dell’ago. Il verso del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente elettrica (i ) si può ottenere con la regola della mano destra. Si pone il pollice della mano destra nel verso della corrente elettrica; il verso di chiusura delle altre quattro dita indica il verso del campo magnetico. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO i

211 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 Intensità del CAMPO MAGNETICO (1) ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO Affacciamo ad un estremo Nord di una calamita un estremo Sud di un’altra tenendole ferme in modo che la distanza fra di loro sia piccola. Nella zona tra di esse (espansione polare) il campo magnetico (B ) deve avere un valore pressoché lo stesso. NS i B da cui si ricava il valore del campo è. Per la direzione ed il verso della forza vedi la pag. successiva.pag. successiva Poniamo poi all’interno dell’espansione polare un filo percorso da corrente elettrica (i ). Si ha quindi che: ; se  = 90° si ha: Notiamo che su di esso agisce una forza (F ) il cui valore dipende dal valore del campo magnetico (B ), dalla corrente elettrica (i ), dalla lunghezza (l )del filo immerso nell’espansione polare e dall’angolo (  ) tra il filo ed il campo magnetico. La forza varia da un massimo quando l’angolo è di 90° a zero quando l’angolo e 0°.

212 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 N S corrente campo forza Direzione e Verso della FORZA magnetica (2) Continua dalla pagina precedente Quando un tratto rettilineo di filo è percorso da corrente elettrica ed è immerso in un campo magnetico si nota che su di esso agisce una forza. Questa forza ha una direzione perpendicolare sia al filo, sia al campo magnetico, ovvero ha una direzione perpendicolare al piano su cui giace sia il campo che il tratto di filo stesso. Quindi nel caso della figura superiore la direzione è perpendicolare al foglio che stai guardando. Il verso lo si ricava con la regola della mano sinistra: si dispone il dito indice della mano sinistra nel verso del campo, il dito medio nel verso della corrente, il dito pollice individua il verso della forza. (vedi figura sotto). NS i B ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO

213 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO MAGNETICO in casi particolari Nella zona vicino ad un circuito elettrico in cui circola corrente si genera un campo magnetico. Il valore di tale campo in un punto qualsiasi distante dal circuito è direttamente proporzionale alla corrente. La direzione ed il verso di tale campo dipendono dalla forma del circuito, dalla distanza da esso e dal materiale che separa il punto dal circuito stesso. Studiamo i seguenti casi: Attorno ad un filo lungo e rettilineo,Attorno ad un filo lungo e rettilineo Al centro di una spira circolare,Al centro di una spira circolare All’interno di un solenoide.All’interno di un solenoide ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO

214 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO MAGNETICO attorno ad un filo lungo e rettilineo Nella zona attorno ad un filo lungo e rettilineo in cui circola una corrente (i ) si genera un campo magnetico. La direzione del campo è sempre tangente alle linee di campo che sono delle circonferenze concentriche perpendicolari al filo aventi come centro il filo stesso. Il verso del campo si ricava con la regola della mano destra (vedi: verso del campo magnetico). verso del campo magnetico Il valore di tale campo magnetico (B ) in un punto posto a distanza (d ) dal filo è uguale a:. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO  è un valore costante che dipende dal materiale che separa il punto dal filo e si chiama permeabilità magnetica del materiale. La permeabilità del vuoto è:. CAMPO IN CASI PAR- TICOLARI

215 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO MAGNETICO in una spira circolare Un filo conduttore che forma una circonferenza prende il nome di spira circolare. Nella zona attorno ad una spira circolare in cui circola una corrente (i ) si genera un campo magnetico. La direzione del campo è sempre tangente alle linee di campo che sono delle linee chiuse attorno al filo aventi come centro il filo stesso. Al centro della spira il campo ha la direzione perpendicolare alla spira stessa. Il verso del campo si ricava con la regola della mano destra (vedi: verso del campo magnetico). Ma più semplicemente si può ricavare sempre con la mano destra chiudendo le 4 dita nel verso della corrente ed il pollice indicherà la faccia Nord.verso del campo magnetico Il valore di tale campo nel centro della spira di raggio r è uguale a:. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO  è un valore costante che dipende dal materiale che separa il punto dal filo e si chiama permeabilità magnetica del materiale. La permeabilità del vuoto è:. CAMPO IN CASI PAR- TICOLARI

216 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 CAMPO MAGNETICO all’interno di un solenoide Un filo conduttore formato da un N spire si chiama solenoide. Se N è un numero abbastanza elevato il solenoide si chiama bobina.spire Nella zona interna ad un solenoide in cui circola una corrente (i ) si genera un campo magnetico che è tanto più uniforme (stesso valore, stessa direzione e stesso verso) quanto più fitte sono le spire. La direzione del campo all’interno di un solenoide ha la direzione della lunghezza (L ) solenoide stesso. Il verso del campo si ricava con la regola della mano destra (vedi: verso del campo magnetico). Ma più semplicemente si può ricavare sempre con la mano destra chiudendo le 4 dita nel verso della corrente ed il pollice indicherà la faccia Nord.verso del campo magnetico Il valore di tale campo magnetico (B ) in un punto interno al solenoide è uguale a:. ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO  è un valore costante che dipende dal materiale che separa il punto dal filo e si chiama permeabilità magnetica del materiale. La permeabilità del vuoto è:. CAMPO IN CASI PAR- TICOLARI

217 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 FORZE tra 2 fili paralleli percorsi da corrente Se due fili lunghi e rettilinei sono disposti parallelamente l’uno accanto all’altro ciascuno di essi genera un campo magnetico in cui è immerso l’altro. L’altro filo quindi è soggetto ad una forza magnetica. Se nel primo filo circola una corrente i 1 e nel secondo una corrente i 2 ed i fili hanno una lunghezza l posti a distanza d l’uno dall’altro, allora il primo genera un campo B 1 B 1 è uguale a:.uguale a ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO CAMPO IN CASI PAR- TICOLARI La direzione del campo è tangente alla linee di campo nel punto a distanza d dal primo filo ed il verso è quello indicato in figura.direzioneverso Il secondo sottoposto al campo B 1 sarà sottoposto ad una forza F che è uguale a:. La direzione è lungo la distanza ed il verso è attrattiva se le corrente hanno lo stesso verso, repulsiva nel caso contrario. i1i1 d l i2i2 F F

218 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 PROPRIETA’ MAGNETICHE della materia Se un corpo è immerso in una zona dello spazio dove c’è campo magnetico il corpo subisce una magnetizzazione, cioè genera un campo magnetico aggiuntivo. In base al tipo di magnetizzazione possiamo suddividere tutti i materiali in tre tipologie diverse: sostanze paramagnetiche, diamagnetiche e ferromagnetiche. 1) Sono sostanze paramagnetiche quelle sostanze che immerse in un campo magnetico esterno generano un campo magnetico aggiuntivo di debole intensità, con la stessa direzione e stesso verso. 2) Sono sostanze diamagnetiche quelle sostanze che immerse in un campo magnetico esterno generano un campo magnetico aggiuntivo di debole intensità, con la stessa direzione ma con verso contrario. 3) Sono sostanze ferromagnetiche quelle sostanze che immerse in un campo magnetico esterno generano un campo magnetico aggiuntivo notevolmente più intenso, con la stessa direzione e stesso verso. Le sostanze ferromagnetiche possono essere ferromagnetiche permanenti (se rimangono magnetizzati anche se il campo esterno si annulla) e temporanee (se si smagnetizzano quando il campo esterno si annulla). ELETTRO- MAGNETI- SMO MAGNE- TISMO CAMPO MAGNE- TICO CAMPO IN CASI PAR- TICOLARI

219 INIZIO Redatto dal prof. Salvatore MURANA Aggiornato al 8/11/2011 INTERAZIONI ELETTRO-MAGNETICHE La corrente elettrica genera campo magnetico. Si nota anche che un campo magnetico variabile può generare una corrente elettrica. Quindi esistono delle interazioni tra correnti e campi magnetici, anzi c’è interazione tra la variazione del campo elettrico e quella del campo magnetico. Queste sono chiamate interazioni elettromagnetiche. ELETTRO- MAGNETI- SMO Quindi studieremo:  Interazione campo spira-magnetico,  Corrente elettrica indotta,  Corrente indotta da un circuito a corrente variabile,  Forza elettromotrice indotta,  Legge di Faraday-Neumann,  Legge di Lenz,  Legge dell’induzione magnetica  Campo elettromagnetico,  Onde elettromagnetiche.


Scaricare ppt "FISICA Questo lavoro è redatto da: PROF. Salvatore MURANA Docente presso l’Istituto di Istruzione Superiore CARLO URBANI di ROMA Via dell’IDROSCALO 88."

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