3B Liceo Scientifico - FISICA a.s. 2018-2019

bottom

 

profili GeoGebra 3B (link)

elenco di possibili domande di teoria (pdf)

- - -

Calcolatrici ammesse esame di stato (nota MIUR - circolare 105)

bottom

top


rappresentazione cronologica dell' ECUMENE (link)

Unità di misura nel S.I. (link)

un esercizio di conversione tra m/s e km/h (link)

un esercizio di caduta libera (link)

FORMULARIO cinematica (pdf)

 

RIPASSO e RICHIAMI:

“Nello studio della fisica, il principio d’inerzia e il concetto di forza sono stati, storicamente, due degli scogli più duri per gli studenti[…]. Non è sorprendente che il problema didattico in questo campo sia così difficile da risolvere, se si tiene conto di quanto tempo fu necessario all ’inizio alla mente umana per chiarire questi aspetti dei fenomeni naturali. Coloro che affrontano tale studio per la prima volta devono sempre esaminare di nuovo almeno alcuni degli ostacoli e delle difficoltà originali.” [Arons, 1992]

principio di inerzia: "Un corpo rimane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, finché non interviene una causa esterna a variare il suo stato"

principio di relatività Galileiano: "le leggi della meccanica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali"
oppure: "non è possibile distinguere con esperimenti meccanici due sistemi inerziali in M.R.U. l'uno rispetto all'altro"

l'esperimento di Galileo Galilei (Pisa, 1564-1642):

da "Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica e ai movimenti locali " leggi a pag.98

tutto inizia nel 1543 con la pubblicazione del "DE RIVOLUTIONIBUS" (formato pdf con evidenziazioni) (cfr. testo originale scritto in latino) di Copernico

allo scopo di calcolare la giusta durata dell'anno tropico e consentire al Pontefice Massimo di promulgare un nuovo calendario

l'esperimento di Galileo Galilei nella stiva della nave:

dal "Dialogo sopra i due massimi sistemi" leggi a pag.105

 

1° PRINCIPIO o principio di inerzia:
"Un corpo rimane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, finché non interviene una causa esterna a variare il suo stato"

 

  2° PRINCIPIO o principio fondamentale della dinamica:
"In un sistema inerziale, una Forza che agisce su un corpo di massa m ne provoca una accelerazione a tale che:
"
 

3° PRINCIPIO o principio di azione e reazione:
"quando due corpi interagiscono la forza che il primo esercita sul secondo ha stesso modulo, stessa direzione e verso opposto a quella che il secondo corpo esercita sul primo"

osservazione 1: non esistono forze singole, ma coppie di forze

osservazione 2: è arbitrario stabilire quale sia la azione e quale la reazione

osservazione 3: l'azione e la reazione sono forze che agiscono su corpi diversi

3,700-year-old Babylonian tablet rewrites the history of maths - and shows the Greeks did not develop trigonometry

 

bottom

top


il LAVORO e l'ENERGIA (cap.3)

 

FORMULARIO il LAVORO e l'ENERGIA (cap.3)

- - -

Piano inclinato (GeoGebra)

la CONSERVAZIONE dell'energia meccanica con lo skateboard (simulazione PhET)

Energia con lo Skateboard
Clicca per eseguire

- - -

la CONSERVAZIONE dell'energia meccanica con le molle (simulazione PhET)

Masse e molle
Clicca per eseguire

- - -

bottom

top


La QUANTITA' di MOTO (cap.4)

FORMULARIO la quantità di moto (pdf)

il pendolo balistico (pdf)

il moto del CENTRO di MASSA

 

- - -

Esercitazione sulle unità di misura della dinamica (link)

schema riassuntivo unità di misura della dinamica (pdf thanks to A.K. e M.F.)

- - -

bottom

top


La DINAMICA dei CORPI in ROTAZIONE (cap.5)

Scheda di lavoro sulla circonferenza goniometrica (pdf)

una ricostruzione dell'esperimento di Hertz del 1888 per dimostrare sperimentalmente l'esistenza di onde e.m.


bottom

top


La GRAVITAZIONE (cap.6)

il problema del calendario

lo studio del cielo prima del cannocchiale:

0. Aristarco di Samos (Gr, 310 a.C. - 230 a.C.)

prima ipotesi di sistema eliocentrico; prime stime distanza terra-luna e terra-sole. La sua ipotesi rimase minoritaria per secoli non potendo spiegare:
1. l'elevata velocità della Terra se questa rivoluzionasse attorno al Sole (il principio d'inerzia sarà formulato da Galileo nel 1632)
2. l'assenza di vento durante il moto della Terra e quindi l'esistenza del vuoto (di cui ne sarà dimostrata l'esistenza intorno al 1650)
3. l'assenza di parallasse nelle stelle (nemmeno il grande quadrante di Tycho la rilevò, la prima misurazione di parallasse stellare fu nel 1838)

1. Copernico (Pl, 1473-1543)

2. Tycho Brahe (Dk, 1546-1601)

3. Keplero (De, 1571-1631)

"Poiché la bontà divina ci ha dato in Tycho Brahe un diligentissimo osservatore, e poiché i suoi dati ci indicano che nei calcoli vi è un errore di 8 minuti [8' di grado corrispondono a circa un quarto del diametro della Luna], dobbiamo riconoscere e onorare con gratitudine questo favore divino [....] Non potendo essere ignorati questi 8 minuti hanno, da soli, aperto la strada al cambiamento dell'intera astronomia: su di essa è costruita la maggior parte di questo lavoro" (Astronomia Nova, 1609)

Sistema solare secondo Keplero nel Mysterium Cosmographicum (1596).
Con il proseguire dei suoi studi astronomici, in seguito Keplero abbandonò questo modello
qui ricostruito con la nostra stampante 3D

correva l'anno 1571
(anno della battaglia di Lepanto e anni di nascita di Kepler, un erpoca difficile)

... per aiutare la memoria...

 

4. Galileo (Pisa, 1564-1642)

- - -
la legge di gravitazione universale: la bilancia di torsione di Cavendish:

        
Gravità e orbite
Clicca per eseguire

la conquista dello spazio, tappe principali (link)

Satelliti geostazionari

Assenza apparente di peso

- - -

scheda di lavoro: la mela di Newton (pdf)
scheda di lavoro completa (pdf)

scheda di lavoro: stimare la massa della Terra (pdf)
scheda di lavoro completa (pdf)

 

 

Composizione chimica della Terra (MT=5,98x1024kg - densità media 5470 kg/m3)

elemento densità percentuale
ferro 7960 kg/m3 32,1%
ossigeno 1,429 kg/m3 30,1%
silicio 2330 kg/m3 15,1%
magnesio 1740 kg/m3 13,9%
zolfo 1960 kg/m3 2,9%
nichel 8800 kg/m3 1,8%
alluminio 2700 kg/m3 1,4%
altri elementi --- 1,2%

 

 

Ellisse e terza legge di Keplero (pdf)

MALMOE, giallo sulla bilancia (PDF La Gazzetta dello Sport 24/08/2005)

- - -

ESERCITAZIONE sulla gravitazione (pdf)

Tabella dati Sistema Solare per esercitazione (pdf)

- - -

bottom

top


La TEMPERATURA (cap.8)

richiami di termologia: formulario (pdf)

le variabili di stato di un sistema termodinamico:
T   [K]               (altre unità di misura della temperatura)
P   [pa]=[N/m2]   (altre unità di misura della pressione)
V   [m3]                                                     (1m3=1000 litri)

un esempio di metro cubo di acqua:

equazione di stato di un gas perfetto: PV=nRT

un esercizio interattivo sulla legge dei gas perfetti (link)

il numero di AVOGADRO: appunti essenziali (pdf)

bottom

top


i GAS e la TEORIA MICROSCOPICA della MATERIA (cap.9)

"Se in qualche cataclisma andassero perdute tutte le conoscenze scientifiche, e una sola frase potesse essere tramandata alle generazioni successive, quale enunciato conterrebbe la maggiore informazione possibile nel minor numero di parole? Io credo che si tratti dell'ipotesi atomica, seconda la quale tutte le cose sono fatte di [...] piccole particelle in perpetuo movimento che si attraggono a breve distanza, ma si respingono se pressate le une contro le altre" Richard Feynman (USA, 1918-1988)

Moto browniano:

- dimensioni di una molecola di gas: circa 10-10m
- velocità molecole di un gas: tra circa 400 e 1900 m/s
- libero cammino medio: circa 5,6∙10-8m
- circa 8 miliardi di “collisioni” ogni secondo

bottom

top


Il CALORE (cap.10)

"Mi sembra estremamente difficile, se non del tutto impossibile, farmi una idea chiara di una qualsiasi cosa capace di essere suscitata e trasmessa nel modo in cui il calore è suscitato e trasmesso in questi esperimenti che sia diversa dal MOVIMENTO" Benjamin Thompson conte Rumford (USA,1753-1814)

la teoria del calorico (pdf)

- - -

Benjamin Thompson conte RUMFORD

- - -

James Joule

1kcal=4186J

- - -

il CALORE Q è l'energia scambiata tra due corpi unicamente a causa della differenza di temperatura esistente tra essi

l'ENERGIA INTERNA U di un corpo è la somma tra le energie cinetiche e potenziali delle sue molecole

- - -

bottom

top


il PRIMO PRINCIPIO della TERMODINAMICA (cap.11)

- la TERMODINAMICA ha come oggetto la descrizione macroscopica dell'interazione fra corpi che possono scambiare energia per effetto dell'azione di forze (lavoro) o in conseguenza di differenze di temperature (calore)

- un sistema è in uno stato di equilibrio termodinamico quando le sue variabili termodinamiche rimangono costanti nel tempo

- ogni stato di equilibrio è rappresentato da un punto nel diagramma P-V (per una data quantità di moli, nel diagramma 2 moli)

un esercizio interattivo sul piano PV (link)

 

PRIMO PRINCIPIO della TERMODINAMICA:
La variazione di energia interna di un sistema durante una trasformazione in cui il sistema riceve una quantità di calore Q e compie lavoro L è:

ΔU=Q-L

- - - - -
LAVORO e le principali trasformazioni termodinamiche:

un trasformazione è detta quasi-statica quando avviene attraverso una successione di stati di equilibrio solo per quantità infinitesime
(una trasformazione quasi-statica è rappresentata da una curva continua nel diagramma p-V)

traformazione ISOBARA
(=a pressione costante)
traformazione ISOCORA
(=a volume costante)
traformazione ISOTERMA
(=a temperatura costante)
traformazione ADIABATICA
(=senza scambi di calore con l'esterno)
traformazione CICLICA
(=inizia e finisce nello stesso stato, nel diagramma è rappresentato da una curva chiusa)

Scheda da completare: il lavoro e le principali trasformazioni Termodinamiche (pdf) - scheda completata al 17 maggio (pdf)

 

- - -

esercizi di termodinamica:

      

- - -

bottom

top


il SECONDO PRINCIPIO della TERMODINAMICA (cap.12)

 

- una MACCHINA TERMICA è un dispositivo che trasforma l'energia interna dei corpi in lavoro meccanico mediante trasformazini cicliche di un sistema termodinamico

- il RENDIMENTO di una macchina termica è il rapporto tra lavoro compiuto L e calore assorbito QC misurati durante un ciclo

- - -

prima rivoluzione industriale nazione anno potenza  
macchina di Savery UK 1702 0,7kW
macchina di Newcomen UK 1732 9kW
macchina di Watt UK 1778 10kW
prima locomotiva di Trevithick
"Penydarren"
UK 1804  
         

- - -

il secondo principio della Termodinamica:

Enunciato di Lord KELVIN (William Thomson, UK, 1824-1907):

“non è possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di convertire in lavoro del calore sottratto a un'unica sorgente a temperatura uniforme”

(ad es. dal mare)
ossia: per trasformare calore in lavoro occorrono almeno due corpi a temperatura differente

enunciato di CLAUSIUS (Rudolf, DE, 1822-1888)

“non è possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l’apporto di lavoro esterno”

 

conseguenze del secondo principio della Termodinamica:

1. è impossibile far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza compiere lavoro

2. è impossibile trasformare tutto il calore in lavoro

3. è impossibile costruire una macchina termica con rendimento η=1

infatti la macchina deve necessariamente operare tra due termostati a uno dei quali cedere il calore Qf che non può essere nullo (in queste notazioni f sta per freddo e c sta per caldo)

di fatto le macchine termiche reali difficilmente raggiungono rendimenti superiori al 50%, è necessario quindi individuare le condizioni che assicurano il maggior rendimento possibile, per far questo si definisce:

una trasformazione è detta reversibile se, a partire dallo stato finale, è possibile riportare sia il sistema sia l'ambiente con cui interagisce ai rispettivi stati iniziali

in generale una trasformazione è reversibile se:
- è "quasi-statica" (=quando avviene attraverso una successione di stati che differiscono da stati di equilibrio solo per quantità infinitesime)
- non sono presenti effetti dissipativi (che convertono lavoro in energia interna del sistema o dell'ambiente, come, ad esempio, attrito, viscosità e turbolenza)

N.B. le trasformazioni reali sono tutte irreversibili (ad esempio...)

Teorema di CARNOT (Sadi, Fr, 1796-1832)

“tutte le macchine termiche REVERSIBILI, operanti tra le temperature Tc e Tf, hanno lo stesso rendimento ηrev e nessuna macchina reale (=irreversibile), operante fra le stesse temperature può avere un rendimento ηirrev maggiore:”

ηrev ≥ ηirrev

 

conseguenze del teorema di Carnot:
- il rendimento di una macchina reversibile (=ideale) dipende solo da Tc e Tf
- quando operano fra le stesse temperature Tc e Tf, tutte le macchine termiche reversibili hanno lo stesso rendimento
- disponendo di due termostati a temperature Tc e Tf, la macchina che assicura il massimo rendimento è una macchina reversibile e qualsiasi macchina reale non può avere rendiento maggiore

Il rendimento di una macchina di Carnot (detta anche macchina ideale o macchina reversibile) che opera tra le temperature Tc e Tf è dato da (dove le temperature sono espresse in gradi Kelvin):

 

4. è impossibile raggiungere lo zero assoluto mediante un numero finito di trasformazioni termodinamiche

(è anche detto Terzo principio della Termodinamica)

se una macchina termica potesse operare tra una sorgente TC e Tf=0 si potrebbe avere una macchina con rendimento pari ad 1

tecnicamente ci si è avvicinati sempre di più allo zero assoluto:
1877 il francese Cailletet liquefa l'ossigeno a 90,2K
1898 l'ingelse Dewar liquefa l'idrogeno a 20,3K
1908 L'olandese Onnes liquefa l'elio a 4,2K
attualmente si sono raggiunte temperature dell'ordine di 10-10K

 

5. è impossibile il moto perpetuo

infatti il moto perpetuo di prima specie è in aperta violazione del primo principio della Termodinamica
mentre il moto perpetuo di seconda specie è in aperta violazione del secondo principio della Termodinamica dovendo una macchina termica sia pur ideale e reversibile operare necessariamente tra due temperature TC e Tf

 

 

avendo osservato che:
1. i sistemi Termodinamici manifestano una direzione privilegiata di evoluzione, nella quale i processi spontanei hanno luogo in maniera irreversibile (ad esempio...)
2. per invertire tali processi irreversibili occorre compiere lavoro e in alcuni casi è praticamente impossibile
3. gli enunciati del secondo principio sono solo qualitativi, e non forniscono relazioni quantitative fra grandezze termonidamiche

nel 1865 Clausius ritenne di introdurre una nuova FUNZIONE di STATO: l'ENTROPIA

scrive Clausius: “ho voluto intenzionalmente adottare il termine entropia per rimanere il più vicino possibile alla parola energia, in quanto le due grandezze … sono così affini in senso fisico che anche nella definizione questo accostamento pare opportuno”

secondo Clausius il comportamento asimmetrico del calore rappresentava due diversi tipi di cambiamento: uno era un cambiamento di temperatura (energia termica che passava dal caldo al freddo), l’altro era un cambiamento di energia (energia meccanica che si trasformava in energia termica per attrito) e concluse che queste variazioni erano due aspetti dello stesso fenomeno: variazioni di ENTROPIA.

Dunque per le applicazioni è necessario calcolare le variazioni di ENTROPIA di un sistema, (l’entropia non è misurabile direttamente) così definite:

[l'ENTROPIA si misura in J/K]

Da questa definizione l’ENTROPIA dipende non solo dagli scambi di energia, ma anche dalla Temperatura.

Clausius sosteneva che tutte le variazioni di carattere naturale (variazioni di energia e temperatura che si verificano spontaneamente in natura come ad esempio il fluire di calore dal corpo più caldo al più freddo o la trasformazione di energia in calore per attrito) sarebbero state considerate variazioni positive (=entropia in aumento); mentre tutte le variazioni innaturali (tutte le variazioni di energia e temperatura che si verificano quando la natura è sollecitata da una macchina) sarebbero state considerate variazioni entropiche negative.

Egli giunse alla conclusione che tutti gli scambi di entropia positiva e negativa che si verificano nella totalità delle macchine esistenti nell’universo avevano sempre l’effetto di aumentare l’entropia. Il nostro universo è popolato da macchine imperfette, fossero queste animate e minuscole come le cellule del corpo umano o inanimate e gigantesche come le galassie.

Nel nostro universo l’energia totale è conservata, ma non sfruttata al meglio:

l’energia si conserva, ma l’entropia aumenta,

dunque tutto l’universo invecchierà e morirà una volta che tutti i suoi fenomeni naturali irreversibili si saranno completamente esauriti, quando cioè non ci saranno più due sorgenti di calore a temperature differenti, ma tutto l’universo si troverà alla stessa temperatura e le trasformazioni spontanee non saranno più possibili (cfr.enunciato di KELVIN)

- Il 2° principio diventa dunque una formulazione del principio di NON conservazione dell’ENTROPIA
- l’ENTROPIA è una funzione di stato;
- l'ENTROPIA può essere considerata una forma di energia degradata che non può essere utilizzata per compiere lavoro. Essa, in altre parole, è energia con la quale non è possibile produrre alcunché: potremmo anche considerarla una specie di energia di rifiuto.

6. è impossibile diminuire l'ENTROPIA di un sistema isolato (senza compiere lavoro dall'esterno)

in un sistema isolato, lo stato di entropia massima è lo stato di equilibrio stabile

Boltzmann (Ludwig, AU, 1844-1906) suggerì che l’entropia possa anche essere letta come misura del disordine di un sistema e stabilì che:

“L’Entropia di uno stato macroscopico è proporzionale alla probabilità termodinamica di quello stato:”

approfondimento facoltativo: il "diavoletto" di Maxwell

l'ENTROPIA è:...................................................................................................................................

  7. è impossibile tornare indietro nel tempo

Tutte queste scoperte significavano per Clausius, che l’universo, essendo un sistema isolato, stava diventando più caotico e che quindi, tempo prima, dovesse essere stato molto più ordinato, insomma come se Qualcosa o Qualcuno avesse costruito un meccanismo e lo avesse caricato come un orologio a molla che ora pian piano stava perdendo la sua carica ed era destinato a fermarsi...

CLAUSIUS osservò inoltre che: “l’energia dell’universo è costante (l’intero universo può essere considerato un sistema isolato e l’energia in esso contenuta è da sempre la stessa, in accordo con il primo pincipio), ma l’entropia è in aumento” (quindi gli scambi di energia, da cui dipende la vita, non saranno possibili per sempre e dato che la vita esiste ancora si può concludere che l’universo non esiste da infinito tempo…)

8. è impossibile che l'universo esista da infinito tempo

  9. ............................
  10. ...........................

 


- - -

ESERCITAZIONE sulla Termodinamica (pdf) - SOLUZIONI (pdf)

- - -

bottom

top


Software utilizzati:

GeoGebra (software di geometria dinamica)

Stellarium (software libero che riproduce un planetario virtuale)

PHYPHOX physical phone experiment (link per AndroiD e IOS)

 

 

top