4S_fisica-ver-comune

Liceo Scientifico ‘A. Volta’ - anno scolastico 2016/2017
Prova comune di FISICA per le classi 4° liceo scientifico
Tempo a disposizione: 3 ore.
02 aprile 2017 - Alunno : _________________________________
Classe __________
Si richiede di risolvere il problema e 3 quesiti a scelta tra i 6 proposti
Prima di riconsegnare la prova inserire nella tabella il numero dei quesiti svolti
N° dei quesiti svolti :
Problema
1)
2)
3)
4)
In condizioni di normalità, in prossimità della superficie terrestre,
si rileva la presenza di un campo elettrico perpendicolare al
suolo, di intensità dell’ordine di qualche centinaio di V/m e
orientato verso terra, in quanto associato a una distribuzione di
carica negativa. In presenza di nubi temporalesche, la situazione
muta radicalmente. La base della nube, infatti, è, nel 90% dei
casi, carica negativamente e caratterizzata da un potenziale che
può variare da 5 ∙ 105 Volt a qualche milione di Volt. Riferendoti
al caso particolare schematizzato in figura, ( si vede distanza tra
nuvola e terra di 100 m e il potenziale su nube di 2,0 ∙ 106 𝑉𝑜𝑙𝑡)
nel quale si assume la superficie terrestre come livello di
riferimento a potenziale nullo:
Si determini l’intensità del campo elettrico (considerato uniforme) tra la base della nube e la terra, la densità
superficiale di carica distribuita sulla base della nube, la carica Q distribuita sulla nube, supponendo che questa abbia
un’estensione di 2,0 ∙ 106 m2. Di ciascuna grandezza fisica richiesta, fornisci la definizione e specifica le unità di
misura del campo elettrico (facendo vedere come si ricavano e dimostrando che sono equivalenti). Calcola, inoltre, il
3
lavoro necessario per trasportare un elettrone che si trova a una distanza 4 𝑑 dal suolo terrestre sulla nuvola. Qual è
il significato fisico del segno di tale lavoro? Calcola anche la potenza elettrica associata a tale lavoro, supponendo
che avvenga in un intervallo di tempo di 5,0 µs. Descrivi linee di forza e superfici equipotenziali di tale campo
(giustificando adeguatamente le tue affermazioni). Infine, calcola modulo, direzione e verso della forza F agente su
un elettrone a una distanza d/2 dalla superficie terrestre.
Considera il campo generato da un sistema di quattro cariche Q (assumi come valore di Q quello calcolato in
precedenza), disposte sui vertici di un quadrato di lato l (tre cariche positive e una carica negativa, poste a tua
discrezione). Trova l’espressione del modulo del campo elettrico, la direzione e il verso nel centro di tale quadrato.
Calcola l’espressione numerica, ponendo uguale a 1,0 m il lato del quadrato. In seguito, determina, l’espressione del
potenziale in tale punto, l’energia potenziale di una carica + 2q posta in questo punto e la sua energia cinetica
quando si trova a una distanza infinita dalle quattro cariche.
Ricava (spiegando i passaggi) l’espressione del campo elettrico in funzione della densità di carica in un campo
uniforme, mediante l’utilizzo del teorema di Gauss. In riferimento alla distribuzione di cariche del punto 2) calcola il
2
4 8
flusso attraverso tre superfici sferiche con centro nella carica negativa e raggio rispettivamente 3 𝑙, 3 𝑙, 3 𝑙 essendo l il
lato del quadrato.
Una applicazione pratica del condensatore è la stampante a
getto d’inchiostro; in una stampante a getto d’inchiostro una
goccia di massa 1,3 ∙ 10−10 𝑘𝑔 e carica negativa di modulo
1,5 ∙ 10−13 𝐶 penetra tra i piatti di deflessione come mostrato
in figura. Inizialmente la goccia si muove lungo l’asse x con
velocità 18 𝑚/𝑠. La lunghezza dei piatti è di 1,6 𝑐𝑚, i piatti
sono carichi e producono un campo elettrico uniforme
diretto verso il basso di intensità 1,4 ∙ 106 𝑁/𝐶. Determinare
la deflessione verticale della goccia in corrispondenza
dell’estremo destro dei piatti. Si trascuri la forza di gravità.
Quesito 1
5
Un recipiente contiene inizialmente 0,50 ∙ 10−3 𝑚3 di azoto (biatomico con 𝐶𝑉 = 2 𝑅) che si trova a
temperatura e pressione iniziali rispettivamente di 400 𝐾 e 1,00 ∙ 106 𝑃𝑎. L’azoto subisce un’espansione
adiabatica che raddoppia il volume, seguita da una trasformazione isocora che riporta la pressione al
valore iniziale. Infine una compressione isobara riporta il sistema al volume iniziale. Dopo aver
rappresentato le trasformazioni subite dal gas in un piano P su V, determina il calore scambiato dal gas
con l’ambiente e il lavoro fatto sul gas durante l’intero ciclo.
Quesito 2
a) Scrivi gli enunciati del secondo principio della termodinamica di Clausius e Kelvin.
b) Una macchina termica non reversibile assorbe calore da un serbatoio caldo a 𝑇𝑐 = 600 𝐾 e scarica
calore nell’ambiente a 𝑇𝑓 = 300 𝐾. In un ciclo questa macchina assorbe 240 J di calore dal serbatoio
caldo e compie 96 J di lavoro. Quanto calore cede all’ambiente? Qual è il rendimento della macchina
termica? Quale rendimento avrebbe se fosse reversibile (ideale)?
Quesito 3
a) Scrivi la definizione di onda e distingui fra onde meccaniche ed elettromagnetiche.
  x 5 
b) Considera un’onda meccanica di equazione y  0,03 cos    t  con unità di misura
  6 3 
espresse nel S.I. Ricava le grandezze caratteristiche dell’onda (ampiezza, lunghezza d’onda, periodo,
frequenza, velocità), quindi determina la distanza dalla sorgente di quei punti che dopo 10 secondi si
trovano nel punto medio tra il proprio centro di oscillazione e l’estremo superiore di oscillazione.
Quesito 4
a) In cosa consiste l’effetto Doppler? Quali sono le sue leggi?
b) Un agente stradale, fermo sul ciglio di una strada, avente un limite di velocità di 80 Km/h, misura con
un frequenzimetro la frequenza del rombo del motore di un’automobile quando si avvicina e quando si
allontana. I valori rilevati sono rispettivamente 155 e 130 hertz. Sapendo che la velocità del suono
nell’aria può variare da 320 m/s a 340 m/s, l’agente stradale deve multare o no l’automobilista per
eccesso di velocità? (giustifica la risposta con gli opportuni calcoli)
Quesito 5
a) Illustra l’esperimento della doppia fenditura di Young, mettendone in luce la rilevanza e descrivendo la
formula.
b) Un fascio di luce monocromatica di lunghezza d’onda 546 𝑛𝑚 passa attraverso due fenditure che
distano 0,12 𝑚𝑚 formando una figura di interferenza su uno schermo posto a 55 𝑐𝑚 dalle fenditure.
Assumendo che gli angoli coinvolti siano tanto piccoli da poter introdurre 𝑠𝑒𝑛𝜃 ≅ 𝑡𝑔𝜃 ≅
𝜃 (𝑐𝑜𝑛 𝜃 𝑖𝑛 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑖), determinare la distanza tra due massimi consecutivi vicini al centro della figura
di interferenza.
Quesito 6
Risolvi illustrando i passaggi teorici:
Una luce bianca, di intensità uniforme nell’intervallo d’onda del visibile (400 − 690 𝑛𝑚), incide
perpendicolarmente su una lamina d’acqua (indice di rifrazione 1,33), sospesa nell’aria, di spessore
320 𝑛𝑚. Determina per quale lunghezza d’onda la luce riflessa dalla pellicola appare pienamente luminosa
ad un osservatore.