come funziona l`esame

COME FUNZIONA L’ESAME
COME FUNZIONA L’ESAME
n Le prove d’esame
L’Esame di Stato si articola in due prove disciplinari (la prima e la seconda
prova scritta) e in due prove di carattere pluridisciplinare (la terza prova
scritta e il colloquio).
– La prima prova scritta, la stesura di un testo, è comune a tutti i tipi di
istituto scolastico.
– La seconda prova scritta ha per oggetto una delle materie caratterizzanti il corso di studi e quindi varia a seconda dell’indirizzo scolastico.
– La terza prova scritta coinvolge più materie affrontate nel corso dell’ultimo anno e prevede la stesura di testi scritti o l’esecuzione di prove grafiche o pratiche.
– Il colloquio, infine, è articolato in varie fasi e si svolge alla presenza dell’intera commissione.
n La valutazione delle prove
La valutazione finale dell’esame è data dalla somma dei punteggi ottenuti
dal candidato nelle tre prove scritte, nel colloquio e nel credito scolastico.
Il punteggio finale è in centesimi e la sufficienza si raggiunge totalizzando almeno 60 punti.
I 100 punti a disposizione del candidato sono suddivisi nel modo seguente:
– un massimo di 25 punti per il credito scolastico sommato dallo studente
nel corso del triennio conclusivo di studio,
– un massimo di 15 punti per ciascuna delle tre prove scritte,
– un massimo di 30 punti per il colloquio.
Fermo restando il punteggio massimo di 100, la commissione ha la facoltà
di assegnare un «bonus», per un massimo di 5 punti, agli studenti che si presentino all’esame con almeno 15 punti di credito e abbiano totalizzato almeno 70 punti nelle prove d’esame.
n Che cosa c’è in questo volume
In questo volume esamineremo le prove che compongono l’esame, privilegiando gli aspetti che riguardano la Fisica. Per ciascuna prova scritta e per
il colloquio analizzeremo:
– le tipologie e le fasi in cui si articolano,
– le capacità e le conoscenze che i candidati devono dimostrare e attivare,
– le difficoltà a cui porre attenzione e gli eventuali errori da evitare.
Per il colloquio vedremo come si prepara una tesina e come la si presenta
attraverso un supporto multimediale.
1
Esercizi
per la terza prova
1
Risposta
La differenza principale tra corpi conduttori e corpi isolanti risiede nella mobilità delle cariche elettriche. Nei primi le
cariche elettriche negative (elettroni) sono libere di muoversi all’interno del corpo, mentre nei secondi questo non
avviene. La distinzione non è assoluta e netta, perché sotto
particolari condizioni anche un isolante può diventare
conduttore. Entrambi possono essere caricati per strofinìo, ma negli isolanti la carica in eccesso resta localizzata,
mentre nei conduttori si distribuisce su tutto l’oggetto
elettrizzato.
La carica elettrica
e la legge di Coulomb
Tipologia A (trattazione sintetica)
1
ESEMPIO La legge di Coulomb. Dopo aver enunciato la legge di Coulomb,illustrane le caratteristiche sia nel vuoto sia in presenza di un dielettrico.
Scaletta
– enunciato della legge di Coulomb; quali grandezze sono in relazione
– carattere vettoriale
– principio di sovrapposizione con più cariche
– la costante di proporzionalità
– la forza è minore in presenza di un dielettrico
Risposta
La legge di Coulomb riguarda la forza con cui due cariche
elettriche puntiformi interagiscono tra loro. Il valore
della forza di Coulomb è direttamente proporzionale al
valore delle cariche elettriche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. In formula:
1
Q1 Q2
F 4ε0
r2
La forza è attrattiva o repulsiva a seconda del segno delle
cariche e, come tutte le forze, è una grandezza vettoriale.
In un sistema di più cariche, la forza risultante su ciascuna carica si ottiene sommando vettorialmente le forze
dovute a tutte le altre cariche. L’intensità della forza dipende anche dal mezzo interposto: infatti al denominatore compare la costante dielettrica assoluta del vuoto,
che va moltiplicata per la costante dielettrica relativa in
presenza di un mezzo diverso dal vuoto. La forza in questo caso diminuisce, essendo la costante dielettrica relativa sempre maggiore di 1.
2
Elettrizzazione per induzione. Descrivi come avviene il processo di elettrizzazione per induzione
di un corpo.
Tipologia B (quesito a risposta singola)
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ESEMPIO Che cosa distingue i conduttori dagli isolanti?
4
5
6
2
Descrivi il funzionamento di un elettroscopio.
Confronta la legge di Coulomb con la legge di gravitazione universale.
Che cosa si intende per polarizzazione di un dielettrico?
Il campo elettrico
Tipologia A (trattazione sintetica)
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ESEMPIO Teorema di Gauss per il campo elettrico.
Dopo aver enunciato il teorema di Gauss,utilizzalo
per determinare il modulo del campo elettrico in
prossimità di un piano infinitamente esteso e uniformemente carico.
Scaletta
– enunciato del teorema di Gauss
– direzione, verso e modulo del campo elettrico in prossimità del piano
– definizione della densità superficiale di carica
– dimostrazione (con superficie gaussiana cilindrica)
– si calcola il flusso attraverso le due basi del cilindro
Risposta
Il teorema di Gauss afferma che il flusso del campo elettrico attraverso una superficie di forma qualunque, purché chiusa, è uguale alla carica netta Q contenuta all’interno della superficie, divisa per la costante dielettrica
→
assoluta del mezzo ε. In formula: Φ(E ) Q/ε.
Il vettore campo elettrico in prossimità di un piano infinitamente esteso e uniformemente carico è sempre perpendicolare al piano, il suo verso dipende dal segno della
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TIPOLOGIE A E B
carica. Il suo modulo è indipendente dalla distanza dal
piano e vale E σ/2ε, dove σ Q/S è la densità superficiale della carica distribuita sul piano. Il modulo può essere ottenuto dal teorema di Gauss prendendo una superficie gaussiana di forma cilindrica, con le basi parallele al
piano e da esso equidistanti. Il flusso Φ del campo elettrico è nullo attraverso la superficie laterale del cilindro
(essendo la direzione del campo parallela alla superficie)
e vale, su ciascuna della due basi, E ∆S Q/ε σ∆S /ε.
Il flusso totale vale pertanto 2 E ∆S σ/∆S da cui:
E σ/2ε.
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– lavoro di una forza
– circuitazione nulla nel caso del campo elettrostatico
– il campo elettrostatico è conservativo
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Tipologia B (quesito a risposta singola)
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Campo elettrico. Introduci il concetto di campo
elettrico e fornisci alcuni esempi anche disegnando le linee del campo.
ESEMPIO Determina le caratteristiche del campo
elettrico all’esterno di una distribuzione sferica di
carica.
Risposta
Il campo elettrico all’esterno di una distribuzione di cariche ha una direzione radiale dal centro della sfera, il
verso è uscente se la carica è positiva, entrante se negativa. L’intensità del campo è proporzionale alla carica Q
contenuta nella sfera ed è inversamente proporzionale
alla distanza r dal centro. Questo risultato è valido sia
quando la carica è distribuita uniformemente all’interno
della sfera, sia quando è distribuita sulla sua superficie,
costituendo un guscio sferico carico. In formula:
E(1/4πε) Q/r2.
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11
12
3
Descrivi i criteri con cui vengono tracciate le linee
di campo elettrico e disegnale nel caso del campo
prodotto da due cariche uguali e di segno opposto.
Definisci il flusso del campo elettrico attraverso
una superficie piana.
Come sarà il campo elettrico risultante al centro
di un quadrato sui cui vertici sono poste cariche
identiche? Motiva la risposta.
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Analizza la relazione tra campo elettrico e potenziale elettrico.
17
Confronta l’energia potenziale elettrica con l’energia potenziale meccanica.
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Disegna le linee equipotenziali nel caso di una carica puntiforme positiva, di un dipolo, di un campo
elettrico uniforme.
4
19
ESEMPIO La circuitazione del campo elettrostatico. Dopo aver introdotto la definizione di circuitazione, analizza la circuitazione del campo elettrostatico.
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ESEMPIO Il modello atomico di Rutherford. Descrivi nelle sue linee essenziali le caratteristiche
del modello atomico ideato da Rutherford e gli
esperimenti che condussero alla sua elaborazione.
Scaletta
– Rutherford bombarda un bersaglio con particelle alfa
– ipotizza una interazione di tipo coulombiano
– misura gli angoli di deflessione per esplorare la struttura del bersaglio
– la deflessione a grandi angoli non è compatibile col
modello di Thomson
– modello planetario di atomo con nucleo carico positivamente al centro
– rapporto 1/10000 per le dimensioni nucleo/atomo
Il potenziale elettrico
Scaletta
– linea chiusa orientata, divisione in n parti, prodotto
scalare tra campo elettrico e spostamento
– definizione di circuitazione
Il modello atomico
Tipologia A (trattazione sintetica)
Tipologia A (trattazione sintetica)
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ESEMPIO In riferimento al campo elettrostatico, descrivi le caratteristiche delle linee di campo e delle
superfici equipotenziali.
Risposta
Le linee del campo elettrostatico hanno origine dalle cariche, sono tangenti in ogni punto al vettore risultante
del campo elettrico e il loro verso è stabilito convenzionalmente uscente dalla cariche positive e diretto verso
quelle negative. Le superfici equipotenziali rappresentano il luogo dei punti con lo stesso valore del potenziale
elettrico. Le linee del campo elettrico e le superfici equipotenziali sono localmente perpendicolari tra loro.
Tipologia B (quesito a risposta singola)
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Il potenziale elettrico. Introduci il concetto di potenziale elettrico e analizza il moto spontaneo
delle cariche in presenza di una differenza di potenziale.
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L’esperimento di Millikan. Descrivi l’esperimento svolto da Millikan, i risultati che ottenne e l’interpretazione che ne diede.
1 – LA CARICA ELETTRICA E LA LEGGE DI COULOMB
LA CARICA ELETTRICA
I corpi si possono elettrizzare, assumendo una carica elettrica totale di segno positivo o
negativo: cariche di segno uguale si respingono, cariche di segno diverso si attraggono.
ELETTRIZZAZIONE
Gli elettroni possono passare da un corpo all’altro. Un corpo elettrizzato negativamente ha
un eccesso di elettroni; un corpo elettrizzato positivamente ha una mancanza di elettroni.
Isolanti e conduttori
• Negli isolanti (plastica, ceramica) le cariche non possono spostarsi.
• Nei conduttori (ferro, corpo umano) vi sono cariche elettriche libere di muoversi.
INDUZIONE
ELETTRIZZAZIONE PER STROFINIO
Strofinando il vetro
con la lana lo si può
elettrizzare, cioè
elettroni passano
dal vetro alla lana.
+
+ - +
+ +
+ - +
+ - + - + -
+
+ - +
+ +
+ - +
+ - +
+ +
• Riguarda i conduttori.
• È la ridistribuzione di
carica, in un conduttore neutro (sfera metallica), causata dalla vicinanza di un corpo carico (plastica)
• Permette di caricare un
conduttore neutro.
panno
di lana
vetro
plastica
F +
- - -+
- - -
sfera di
metallo
scarica
POLARIZZAZIONE
• Riguarda gli isolanti.
• È la ridistribuzione di carica in
un isolante neutro, causata dalla vicinanza di un corpo carico.
• Spiega perché piccoli oggetti
neutri (come pezzettini di carta) sono attratti da una carica
(penna strofinata).
ELETTRIZZAZIONE PER CONTATTO
Parte della carica presente su un
conduttore elettrizzato passa a
un secondo conduttore che viene a contatto con esso.
A
B
- -- -- -+
- +
- -+ +
+ - -+ +
- + - + - +
- -- + - + - +
- + - + - +
- + - + - + - - + - + - +
- + - + - + - +
-
penna
CARICA ELETTRICA
CARICA ELEMENTARE
• È l’opposto della carica dell’elettrone.
• Vale e 1,6021 1019 C.
• Tutte le particelle elementari
conosciute hanno una carica
che è un multiplo (positivo o
negativo) di e.
atomo di elio
protoni
elettroni
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• Un oggetto è carico se, messo a contatto
con un elettroscopio, fa divaricare le sue foglie.
• Per misurare la carica elettrica si sceglie una
carica come unità di misura, poi si tara l’elettroscopio con una scala che misuri le divaricazioni delle foglioline.
+ +
+ +
+
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+ +
+ +
manico
isolante
-
UNITÀ DI MISURA
coulomb (C)
carta
MAPPE PER IL RIPASSO VISIVO
LA LEGGE DI COULOMB
La forza elettrica di Coulomb, come la forza gravitazionale, è una forza a distanza, e in
condizioni ordinarie è molto più intensa di quella gravitazionale. Agisce solo tra corpi
carichi, mentre la gravitazione agisce sempre.
FORZA DI COULOMB NEL VUOTO
r
Q1F
Q1Q2
F k0 r2
Q1F
4
Q1-
2r
Q+
2
F
Q+
2
F
4
3r
Q+
2
F
9
F
9
• Il valore della forza elettrica tra due cariche puntiformi è direttamente proporzionale a ciascuna carica e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.
• Se Q1 e Q2 hanno lo stesso segno, F risulta positiva (forza repulsiva); invece, se Q1 e Q2 hanno
segni diversi, F risulta negativa (forza attrattiva).
• k0 è una costante naturale di proporzionalità determinata sperimentalmente che nel vuoto vale
N m2
.
k0 8,99 109 C2
COSTANTE DIELETTRICA ASSOLUTA DEL VUOTO
PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE
La forza totale che
agisce su una carica elettrica è uguale alla somma vettoriale delle singole forze che agirebbero su di essa se
ciascuna delle altre
cariche fosse presente da sola.
forza
esercitata
da Q2
forza risultante
agente su Q
F2
carica
minore
F
F1
Q
forza esercitata
da Q 1
carica
maggiore
Q1
COSTANTE εr
Costante dielettrica relativa
del mezzo
F
εr Fm
• È il rapporto tra la forza elettrica
F tra due cariche nel vuoto e la
forza Fm tra le stesse due cariche
in un mezzo materiale.
• È un numero puro.
• Nei mezzi materiali, a causa della
loro polarizzazione, è sempre
maggiore di 1.
UNITÀ DI MISURA
newton (N)
1
• È definita ponendo k0 .
4πε0
C2
• Vale ε08,8541012 N m2 .
• La formula della forza di Coulomb diviene:
1
Q1Q2
F .
4πε0 r 2
Q2
FORZA DI COULOMB
NELLA MATERIA
COSTANTE ε
Q1Q2
1
Fm 4πε
r2
Costante dielettrica assoluta
del mezzo
• In un mezzo materiale isolante (per
esempio nell’acqua o dentro il vetro), a parità di cariche e di distanza,
la forza di Coulomb Fm ha un valore
minore di quello della forza F che
agisce nel vuoto, a causa della polarizzazione dell’isolante.
• ε è la costante dielettrica assoluta
del mezzo considerato e misura di
quanto l’intensità della forza elettrica è ridotta, rispetto al vuoto, dalla
presenza del mezzo.
ε ε0εr
• È il prodotto della costante dielettrica assoluta del vuoto ε0 per
la costante dielettrica relativa εr
del mezzo considerato.
• Ha le stesse unità di misura di ε0.
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