LA FISICA SEMPLICE
COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI
Direttore
Ivan D
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Comitato scientifico
Livio N
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Michael A
Department of Physics, Long Island University
LA FISICA SEMPLICE
COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI
I fatti matematici che vale la pena studiare sono quelli che, in analogia ad
altri fatti, sono in grado di portarci alla conoscenza di una legge fisica.
Henri P
La collana ha come obiettivo quello di pubblicare testi di Fisica di base presupponendo che il lettore abbia le conoscenze
matematiche apprese in una qualunque scuola superiore. “La
Fisica semplice” si rivolge a studenti e giovani laureati che non
devono intraprendere la carriera tipica di uno studente di Fisica
o di Ingegneria. Le attività scientifiche cosiddette soft sono in
rapida evoluzione, ma sono spesso caratterizzate da una scarsa
preparazione fisico–matematica.
Questa lacuna deve essere colmata invitando ad uno studio
delle materie scientifiche di base più assiduo e consapevole,
ma anche rivedendo molti dei percorsi formativi che le scienze
esatte abitualmente offrono a questi studenti. Le attività di
questi operatori scientifici, pur non avendo bisogno di una
completa preparazione in Fisica, necessitano comunque degli
strumenti tipici della Fisica di base, che siano ridotti al minimo,
ma che siano nel contempo molto chiari e solidi.
La collana ospita testi, siano essi monotematici o generalisti,
che contengono la descrizione dei fenomeni espressa con un linguaggio semplice, ma corretto, e le conseguenti conclusioni devono essere presentate in forme operative facilmente accessibili,
quali formule e grafici.
Francesca Ferrari
Esperimenti di Fisica
Per la scuola secondaria superiore
Prefazione di
Ivan Davoli
Copyright © MMXV
Aracne editrice int.le S.r.l.
www.aracneeditrice.it
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via Quarto Negroni,
Ariccia (RM)
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di riproduzione e di adattamento anche parziale,
con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
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senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: marzo
Indice
Prefazione
di Ivan Davoli
Introduzione
Capitolo I
Meccanica
.. Il moto, – ... Moto rettilineo uniforme, – ... Moto
uniformemente accelerato, – ... Moto circolare uniforme,
– ... Moto del pendolo, – .. Conservazione dell’energia
meccanica, – .. Le forze, – ... La composizione delle
forze, – ... Forze agenti su un corpo sul piano inclinato, –
.. Misura della costante elastica di un molla, .
Capitolo II
Fluidodinamica
.. Legge di Archimede, – .. Legge di Pascal, .
Capitolo III
Il calore
.. Taratura di un termometro, – .. Cambiamenti di fase dell’acqua, – .. Dilatazione lineare dei corpi solidi, –
.. Equivalente in acqua di un calorimetro, – .. Il calore
specifico, .
Capitolo IV
Elettromagnetismo
.. Carica elettrica, – .. Il campo elettrico, – .. Prima
legge di Ohm, – .. Seconda legge di Ohm, – ... Carica
Indice
e scarica di un condensatore, – .. Le linee del campo magnetico, – .. Interazione tra campo magnetico e corrente, –
... Esperienza di Oersted, – ... Esperienza di Faraday, –
... Esperienza di Ampere, .
Capitolo V
Onde
.. Esperienze con l’ondoscopio, – ... Esperienza : propagazione delle onde, – ... Esperienza : riflessione mediante uno
specchio piano, – ... Esperienza : Riflessione da uno specchio
concavo, – ... Esperienza : diffrazione, – ... Esperienza
: interferenza, – ... Verifichiamo che il suono è un’onda, –
.. Tubo di Kundt, – .. Risonanza, – ... Esperienza ,
– ... Esperienza , – .. Battimenti, – .. Esperienze con
il banco ottico, – ... La rifrazione, – ... La riflessione,
– ... I diottri: lenti e specchi, – ... Esperienza : rifrazione,
– ... Esperienza : riflessione,
Prefazione
di I D
Insegnare la Scienza e in particolare la Fisica nelle scuole medie
di secondo livello è una vera e propria impresa. La Scienza
ha un linguaggio suo proprio, fatto di formule e grafici che
non sono facili da esemplificare, senza cadere in pericolose
misconoscenze; d’altronde i concetti fisici sono anche difficili
da capire perché richiedono un livello di astrazione in molti
casi elevato. Ma soprattutto il tempo a disposizione per un
insegnante di fisica nelle scuole superiori è decisamente scarso.
Contemporaneamente però dobbiamo essere coscienti che
proprio nella adolescenza e precisamente nel periodo scolastico
si sviluppa nei ragazzi il talento razionale e la loro vocazione
verso un approfondimento della cultura scientifica. E se in questa delicata fase di crescita intellettuale la Fisica dovesse essere
presentata in modo incompleto, superficiale o semplicemente
noioso, facilmente provocheremmo in molti ragazzi, disinteresse e avversione per la Fisica, ma anche per tutte le altre Scienze
di cui la Fisica è madre.
Il libro Esperimenti di Fisica della Prof.ssa Francesca Ferrari è
una raccolta di esperimenti che si possono realizzare anche in
laboratori didattici non particolarmente attrezzati, la cui ricchezza risiede nel modo particolarmente semplice ed esauriente
con cui vengono presentati alcuni concetti base della fisica classica senza rischiare di annoiare gli studenti. Unica richiesta ai
fruitori di questo testo è una po’ curiosità e un grande desiderio
di conoscenza del mondo.
Introduzione
Le esperienze di laboratorio sono parte integrante del programma di fisica. Durante le attività laboratoriali vi è infatti
l’occasione di mostrare agli studenti la manifestazione pratica
di quanto studiato in teoria.
Lo scopo di questa raccolta è quello di presentare una serie
di esperienze facilmente realizzabili nella scuola superiore con
strumenti e materiali di facile reperibilità.
Gli esperimenti sono corredati di una breve introduzione
teorica che aiuti ad inquadrare l’esperienza nel programma
svolto in classe.
Capitolo I
Meccanica
In questa sezione illustriamo alcuni esperimenti sul moto, sulla
conservazione dell’energia e sulle forze.
.. Il moto
Per analizzare il moto di un corpo occorre definire almeno due
grandezze fisiche fondamentali: lo spazio ed il tempo.
Definiamo a partire da esse la velocità come lo spazio percorso in un intervallo di tempo. Il più semplice tipo di moto
che possiamo definire è quello rettilineo uniforme. Il corpo si
muove in linea retta percorrendo spazi uguali in tempi uguali, cioè a velocità costante. Introduciamo un’altra grandezza:
l’accelerazione. Essa rappresenta la variazione della velocità
in un intervallo di tempo. Il moto uniformemente accelerato
è caratterizzato da una accelerazione costante, cioè in esso la
velocità varia ad un ritmo costante.
... Moto rettilineo uniforme
.... Materiale occorrente
—
—
—
—
—
Rotaia a cuscino d’aria;
Compressore;
Cursore;
Dispositivi di ritegno e rilascio;
Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale.
Esperimenti di Fisica
.... Procedura
Posizioniamo un cursore sulla rotaia, in posizione orizzontale
[Figure . e .]. Per verificare che la rotaia sia perfettamente orizzontale regoliamo l’altezza dei supporti fino a quando si verifica
che il cursore, in assenza di erogazione di aria, rimane fermo.
La prima fotocellula deve essere posizionata a cm dal
punto di partenza del cursore. Fissiamo la seconda a distanza
variabile, in modo da raccogliere dati corrispondenti a diverse
distanze. Per abbassare l’errore di misura ripetiamo la misura,
per ogni distanza, almeno tre volte e compiliamo tabelle come
la seguente (tab. .).
Figura .. Rotaia a cuscino d’aria.
Figura .. Cursore e fotocellule collegate ai sensori.
. Meccanica
Tabella ..
d [cm]
t [s]
t [s]
t [s]
Media dei tempi tm [s]
20
40
60
Tabella ..
d [cm]
vm [cm/s]
Calcoliamo la velocità secondo la formula:
vm =
s
tm
Riportiamo i valori ottenuti in tabella (tab. .) completando
con gli errori. I valori devono essere compatibili entro le incertezze, dimostrando che il valore della distanza percorsa ed il
tempo impiegato sono direttamente proporzionali.
... Moto uniformemente accelerato
.... Materiale occorrente
—
—
—
—
—
—
—
Rotaia a cuscino d’aria;
Compressore;
Cursore;
Dispositivi di ritegno e rilascio;
Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale;
Porta–pesi;
Filo inestensibile (di cotone).
Esperimenti di Fisica
.... Procedura
Sistemiamo la rotaia in modo che sia orizzontale [Figure .
e .]. Fissiamo il cursore al dispositivo di ritegno, in modo
che non si muova e colleghiamolo, tramite il filo di cotone, al
porta–pesi.
Una fotocellula deve essere posta presso il dispositivo di
ritegno la seconda può essere collocata presso la fine della rotaia.
Si inserisce una massa nel porta–pesi e si libera il cursore in
modo che il peso lo faccia muovere sulla rotaia. Si annota in
tabella la misura del tempo di transito tra le due fotocellule. Si
ripete la misura tre volte e si calcola la media dei valori trovati
in modo da abbassare l’errore.
L’accelerazione del cursore può essere calcolata teoricamente grazie alla seconda legge della dinamica:
a=
F
m
Sulla base dei dati raccolti calcoliamo, invece, l’accelerazione
dalla formula:
s
a=
t
La formula deve fornire un valore compatibile con quello
ottenuto dalla legge della dinamica dimostrando che il moto è
ben descritto dalla legge del moto uniformemente accelerato.
Possiamo ripetere la procedura cambiando la massa nel
porta–pesi e verificare che l’accelerazione varia in funzione
della forza applicata (tab. .).
. Meccanica
Tabella ..
Misura
t [s]
1
2
3
Media [s]
Tabella ..
s [m]
t [s]
a [m/s ]
F [N]
m [kg]
a [m/s ]
Figura .. Massa da collegare al cursore.
Figura .. Apparato per lo studio del moto circolare uniforme: il disco è
mosso dal motore elettrico. La linguetta oscura le fotocellule collegate al
cronometro.
Esperimenti di Fisica
... Moto circolare uniforme
.... Prerequisiti
Il moto circolare uniforme è un caso di moto uniformemente
accelerato. Tale moto si svolge su una circonferenza. Il corpo
in moto percorre archi uguali in tempi uguali.
.... Materiale occorrente
— Due fotocellule collegate ad un cronometro digitale;
— Piattaforma circolare di compensato fissata ad un motorino elettrico;
— Carrellino con linguetta;
— Goniometro.
.... Procedura
Sulla piattaforma disegniamo angoli di °, °, °, ° e °.
Assembliamo, poi, l’apparato di figura .. Il motorino elettrico
fa muovere la piattaforma di moto circolare uniforme. Durante
il moto rotatorio la linguetta oscura le fotocellule.
La prima fotocellula attiva il cronometro al primo oscuramento. La seconda fotocellula ad ogni oscuramento ferma il
cronometro. Fissiamo, dapprima, la prima fotocellula in corrispondenza dell’angolo ° e la seconda in corrispondenza dell’angolo °. Poniamo in moto il disco e raccogliamo almeno
tre misure dei tempi registrati dal cronometro tra un oscuramento e l’altro. Ripetiamo la procedura ponendo la seconda
fotocellula in corrispondenza degli altri angoli che abbiamo
fissato sul disco.
Raccogliamo i dati in tabella (tab. .).
Calcoliamo la velocità angolare mediante:
ω=
α
tm
. Meccanica
Tabella ..
a
[m/s ]
t [s]
t [s]
t [s]
Media dei tempi tm [s]
Verifichiamo che la velocità angolare si mantiene uguale al
variare dell’angolo scelto.
... Moto del pendolo
Il periodo di oscillazione di un pendolo semplice si può calcolare mediante la relazione:
v
u
ul
T = πt
g
Dove l è lunghezza del filo del pendolo, g è l’accelerazione
di gravità.
.... Materiale occorrente
—
—
—
—
—
—
—
Sferette di massa diversa;
Fili sottili;
Asta con sostegno;
Cronometro;
Goniometro;
Bilancia di precisione;
Righello da un metro.
