Liceo Scientifico "F.Lussana" - Anno Scolastico 2013/14

Liceo Scientifico "F.Lussana" - Anno Scolastico 2013/14 - Classe 1 P
Programma svolto di FISICA - Prof. De Giampaulis Marco
MODULO 1. LA MISURA DELLE GRANDEZZE FISICHE
⇒ Grandezze fisiche, unità di misura, Sistema Internazionale delle unità di misura.
⇒ Operazioni tra grandezze fisiche. Misure dirette e indirette.
⇒ La notazione scientifica. Ordini di grandezza. Cifre significative.
⇒ La misura di lunghezze, aree e volumi. Multipli e sottomultipli.
⇒ La misura della massa e della densità.
Attività sperimentali e di laboratorio:
-
Misure eseguite con un calibro decimale;
Misure di volume, massa e densità.
MODULO 2. LE INCERTEZZE DI MISURA
⇒ Errori di misura: errori accidentali ed errori sistematici.
⇒ Incertezza associata a una misura diretta. Incertezza relativa e percentuale.
⇒ Il risultato di una misura: valore medio e incertezza assoluta; confronto tra i risultati di due misure.
⇒ Precisione ed affidabilità di una misura.
⇒ Incertezza associata ad una misura indiretta.
Attività sperimentali e di laboratorio:
- Misura del volume di un solido: confronto tra diversi metodi di misura.
MODULO 3. LE RELAZIONI TRA LE GRANDEZZE FISICHE
⇒ La rappresentazione di un fenomeno fisico mediante tabelle, formule, grafici.
⇒ La costruzione e l'interpretazione di un grafico cartesiano.
⇒ Analisi di alcuni tipi di relazioni tra grandezze fisiche, dal punto di vista grafico e dal punto di
vista algebrico: la relazione di proporzionalità diretta, di proporzionalità inversa, di
proporzionalità quadratica; la correlazione lineare, la relazione inversa quadratica.
⇒ Interpretazione dei grafici cartesiani; riconoscimento delle relazioni di proporzionalità
diretta e inversa, e della relazione lineare
Attività sperimentali e di laboratorio:
-
Misure di allungamento di una molla;
Misure di periodo di un pendolo al variare della lunghezza del filo.
MODULO 4. LA TEMPERATURA, IL CALORE E L'EQUILIBRIO TERMICO
⇒ Dalla sensazione del caldo e del freddo alla misura della temperatura.
⇒ Termometri e scale termometriche.
⇒ La dilatazione termica.
⇒ Legge fondamentale della termologia: calore specifico e capacità termica.
⇒ Equilibrio termico.
⇒ Cambiamenti di stato e calore latente.
⇒ Propagazione del calore per conduzione, convezione, irraggiamento; conducibilità termica.
Attività sperimentali e di laboratorio:
- Dilatazione lineare di alcune aste metalliche;
- Misura del calore specifico dei solidi con il calorimetro delle mescolanze.
Libro di testo:
Giuseppe Ruffo Fisica Lezioni e problemi, volumi AB e EF, ed. Zanichelli
Bergamo,
L'insegnante
giugno 2014
Gli studenti
Liceo Scientifico “F. Lussana” – Bergamo
Estate 2014 - classe 1^P
Lavoro estivo di fisica
Docente: Marco De Giampaulis
Bergamo, giugno 2014
Alunni promossi senza lettera di aiuto:
Per ogni argomento ripassa la parte teorica ed esegui gli esercizi delle schede allegate.
( nella risoluzione devono essere presenti i passaggi. )
Gli esercizi vanno presentati il primo giorno di scuola.
Se hai la sospensione del giudizio o la lettera in fisica, svolgi anche i seguenti esercizi tratti
dal libro di testo.
Se hai la sospensione del giudizio porta il quaderno con gli esercizi il giorno dell’esame orale.
Si richiede inoltre di allenarsi a risolvere correttamente le verifiche assegnate per il recupero del
debito negli anni passati (le tracce sono reperibili nell’area Fisica della piattaforma MOODLE, a cui
si accede tramite il sito della scuola).
Giuseppe Ruffo Fisica Lezioni e Problemi AB, ed. Zanichelli
Pagine
N° esercizi
Unità 1
A34-A39 Dal numero 1 al numero 51
Unità 2
A62-A65 Dal numero 1 al numero 27
Giuseppe Ruffo Fisica Lezioni e Problemi EF, ed. Zanichelli
Pagine
N° esercizi
Unità 11
E26-E29 Dal numero 1 al numero 33
Buon lavoro e buone vacanze!!!
Esercitazione relativa agli argomenti: Lunghezze, aree e volumi; la notazione scientifica
1) La navicella spaziale Voyager, utilizzata per esplorare il Sistema Solare, ha percorso in 26 anni
una distanza di 13,5 miliardi di km. Calcola la sua velocità media in km/h. Esprimi il risultato
utilizzando due cifre significative.
2) La galassia di Andromeda dista da noi circa 2,5 milioni di anni luce. Quanto si impiegherebbe a
raggiungere tale galassia, viaggiando con una velocità di 100000 km/h ? (esprimi il risultato in
anni) Si determini inoltre quanto tempo impiega la luce emessa da tale galassia per giungere a
noi. (Se si ritiene che possa essere utile, si ricorda che la luce viaggia ad una velocità c =
300000 km/s ).
3) Nettuno dista dal Sole 4,5 10 9 km, mentre la distanza Terra-Sole è di 150 milioni di chilometri.
Calcola la distanza tra il pianeta Nettuno e la Terra, quando i due pianeti sono allineati con il
Sole in modo tale che la Terra si trova interposta tra Sole e Nettuno, e quando invece i due
pianeti si trovano da parti opposte rispetto al Sole.
4) All'interno di un filo di rame in cui circola corrente elettrica, gli elettroni viaggiano ad una
velocità media di circa 10 - 3 cm/s. Calcola quanto tempo impiega un elettrone per percorrere
una distanza di 10 km (esprimi il risultato in anni, utilizzando 1 sola cifra significativa).
5) Un imbianchino impiega 10 minuti per dipingere 1 m 2 di parete di un'abitazione. Sapendo che
la casa ha una pianta quadrata di lato L = 10 m, che le pareti sono alte 2,5 m, che le finestre
occupano una superficie di area complessiva 20 m 2, calcola quanto tempo impiega
l'imbianchino per tinteggiare le pareti laterali e il soffitto dell'abitazione (esprimi il risultato in
ore).
6) Un litro di aria, in condizioni tipiche di temperatura e pressione, contiene circa 2,5 10
molecole. Calcola quante molecole di aria sono contenute in un millimetro cubo.
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7) Si vuole riempire una vasca da bagno avente la forma di un parallelepipedo, lunga 1,5 m e larga
60 cm , fino ad un'altezza di 40 cm, usando un rubinetto che eroga 1 litro d'acqua ogni 3
secondi. Calcola il tempo necessario (esprimi il risultato in minuti e secondi).
8) In un recipiente di vetro di forma cilindrica (diametro interno = 10,0 cm, altezza = 20,0 cm)
sono contenuti 500 ml di acqua. Nell'acqua si immergono 10 sferette di acciaio, ciascuna della
quali ha un diametro di 2,00 cm. Calcola di quanto si alza il livello dell'acqua nel recipiente.
Esercitazione di fisica sull’argomento: le incertezze di misura
1) Si esegue dieci volte, utilizzando un orologio avente sensibilità di 0,1 s, la misura del tempo
impiegato da una pallina metallica per cadere a terra da un'altezza di 10 m, e si ottengono i seguenti
risultati:
4,4 s; 4,5 s; 4,5 s; 4,4 s; 4,5 s; 4,4 s; 4,5 s; 4,5 s; 4,4 s; 4,5 s.
Calcola il valore medio e l'incertezza assoluta associata alla misura.
Esprimi il risultato della misura, indicando il valore medio e l’incertezza assoluta.
Calcola l'incertezza relativa e l'incertezza percentuale associate alla misura.
2) Ordina, dalla più precisa alla meno precisa, le seguenti misure, riportando tutti i calcoli necessari:
a) massa di un pallone da calcio, misurata con una bilancia da cucina avente una sensibilità di 50 g
= 0,45 kg ;
b) pressione atmosferica, misurata con un barometro avente una sensibilità di 10 mbar = 1010
mbar;
c) pressione sanguigna sistolica, misurata con un manometro avente una sensibilità di 2 mm Hg, =
120 mm Hg;
d) spessore di un filo metallico, misurato con un calibro ventesimale (sensibilità 50 µm) = 0,6 mm.
3) Due persone hanno misurato la lunghezza di uno stesso oggetto utilizzando strumenti diversi.
Esse hanno ottenuto le seguenti misure:
M1 = (3,7± 0,1) cm
M2 = (3,62 ± 0,01) cm
Quali strumenti sono stati utilizzati, secondo te, per eseguire le due misure? I risultati delle due
misure sono in accordo tra loro? Motiva adeguatamente le tue risposte.
4) Analogamente a quanto accadde nel III secolo a.C. allo scienziato Archimede di Siracusa, ti
viene affidato l'incarico di scoprire se un anello sia fatto interamente d'oro oppure se contenga
qualche altro metallo meno pregiato. Decidi di misurare il volume dell’anello immergendolo in un
cilindro graduato , e ottieni il valore:
V = (1,2 ± 0,1) ml.
Quindi, misuri la massa dell’anello con una bilancia elettronica, ottenendo il risultato:
m = ( 22,0 ± 0,1 ) g .
Calcola la densità dell’anello, indicando il valore medio e l’incertezza assoluta. Tenendo conto che
la densità dell’oro vale 19,3 g / cm3, è possibile stabilire se l’anello è fatto interamente d'oro, oppure
se contiene qualche altro metallo meno pregiato, di densità inferiore? Argomenta adeguatamente la
tua risposta.
5) Per determinare il volume di una sfera di acciaio, si seguono due metodi diversi:
METODO 1: con un calibro decimale si misura il diametro D della sfera, ottenendo il valore:
D = (3,00 ± 0,01) cm
e si applica la formula geometrica del volume della sfera.
METODO 2: si immerge la sfera in un recipiente di forma cilindrica, contenente acqua, e si
misurano il diametro interno D del cilindro e l'innalzamento ∆h del livello dell'acqua nel recipiente,
ottenendo i valori:
D = (4,00 ± 0,01) cm ;
∆h = (1,10 ± 0,02) cm
Quindi si determina il volume della sfera utilizzando un ragionamento adatto alla situazione.
Stabilisci se i due metodi di misura forniscono risultati concordi. Stabilisci inoltre quale metodo sia
più preciso.
Esercitazione relativa agli argomenti: Relazioni tra le grandezze fisiche
1) Su una bolletta del gas metano sono indicati 60 euro al mese di costi fissi per la fornitura del gas
più un costo di 0,7 euro per ogni metro cubo di metano consumato. Sapendo che la spesa nel mese
di gennaio è stata di 200 euro, calcola quanti metri cubi di metano sono stati consumati nel mese di
gennaio.
2) Quando a una molla è appeso un oggetto di massa 10 g, la lunghezza della molla è 10 cm, mentre
quando è appeso un oggetto di massa 30 g, la lunghezza diventa 20 cm. Se la lunghezza della molla,
quando è appeso un anello d'oro, è 14 cm, qual è la massa dell'anello?
Riporta in valori della massa appesa alla molla e della lunghezza della molla in un grafico
cartesiano (massa sull’asse X, lunghezza sull’asse Y). Che tipo di relazione c’è tra la massa appesa
e la lunghezza della molla?
3) Un’automobilista vuole percorrere un tratto di autostrada lungo 60 km e vuole calcolare il tempo
impiegato a percorrere questa distanza in funzione della velocità media di percorrenza.
Determina il tempo di percorrenza, ed esprimilo in minuti, nei seguenti casi:
a. velocità media di percorrenza = 90 km/h;
b. velocità media di percorrenza = 120 km/h;
c. velocità media di percorrenza = 150 km/h.
Riporta in valori della velocità e del tempo di percorrenza in un grafico cartesiano (velocità
sull’asse X, tempo sull’asse Y). Che tipo di relazione c’è tra la velocità e il tempo di percorrenza?
4) Un disco di diametro 10 cm e altezza 2 mm ha una massa di 42,4 g. Calcola la densità del
materiale con cui è stato costruito il disco. Con lo stesso materiale si costruisce un disco di uguale
altezza, ma avente un diametro di 20 cm. Quale sarà, in tal caso, il valore della massa del disco?
Quale tipo di relazione sussiste tra la massa del disco e il diametro?
5) In un laboratorio sono presenti quattro cilindri di diverso materiale (piombo, rame, ferro e
alluminio), aventi tutti una massa di 100 g e un’altezza di 4 cm. Utilizzando i valori di densità
riportati in tabella, calcola il diametro dei quattro cilindretti.
MATERIALE
PIOMBO
RAME
FERRO
ALLUMINIO
DENSITA’ ( kg / m3 )
11400
8900
7800
2700
Riporta in valori del diametro e della densità dei quattro oggetti in un grafico cartesiano (diametro
sull’asse X, densità sull’asse Y). Che tipo di relazione c’è tra il diametro e la densità?
6) La massa di un metro cubo di aria vale 1,3 kg. Sapendo che l’aria è costituita essenzialmente da
una miscela di azoto e ossigeno, che 1 metro cubo di azoto ha una massa di 1,26 kg mentre 1 metro
cubo di ossigeno ha una massa di 1,46 kg, determina la percentuale di azoto e quella di ossigeno che
compongono l’aria.
Esercitazione relativa agli argomenti: Calore e temperatura
1)A una temperatura di 20 °C, la lunghezza di una sbarra di ferro vale 1 m, mentre la sua massa vale
10 kg. Sapendo che il coefficiente di dilatazione lineare del ferro vale 12 ⋅ 10 – 6 °C – 1
Temperatura (°C)
20
40
60
Lunghezza (m)
1
Massa (kg)
10
2) Una pentola di acciaio di forma cilindrica, avente un diametro interno d = 24 cm, contiene 3 litri
di acqua a una temperatura di 20 °C. La pentola viene posta su un fornello acceso fino a quando sia
la pentola sia l’acqua raggiungono una temperatura di 100 °C. Calcola la variazione di livello
dell’acqua nella pentola, per effetto della variazione di temperatura (ricorda di considerare sia la
dilatazione dell’acqua sia la dilatazione dell’acciaio!)
[Il coefficiente di dilatazione volumica dell’acqua vale 2,0 ⋅ 10 – 4 °C – 1 ;
Il coefficiente di dilatazione lineare dell’acciaio vale 12,0 ⋅ 10 – 6 °C – 1].
3) Sapendo che, alla temperatura di 20 °C, la densità della benzina vale 700 kg / m3, calcola quanti
kg di benzina corrispondono a 40 litri di benzina a una temperatura di 20 °C. Supponendo inoltre
che il costo della benzina sia 1,75 euro al litro, calcola quanto si risparmia, in centesimi di euro, se
si immette nel serbatoio il medesimo quantitativo di chilogrammi di benzina, effettuando però
l’operazione quando la temperatura della benzina è di 10 °C. In tal caso, quanti litri di benzina sono
stati inseriti nel serbatoio?
[Il coefficiente di dilatazione volumica della benzina vale 10,0 ⋅ 10 – 4 °C – 1 ];
4) Supponiamo di trovare una vecchia nota scientifica che descrive una scala di temperatura
chiamata Z nella quale il punto di ebollizione dell’acqua si trova a 65 °Z e il suo punto di
congelamento a -14 °Z. Indica a quale valore della scala Celsius corrisponde una temperatura di 98
°Z.
5)In frigo, a una temperatura T = 4 °C, c’è un bicchiere di vetro di forma cilindrica, avente un
diametro interno d = 10 cm, contenente 200 cm3 di acqua. Il bicchiere viene tolto dal frigo e posto
in un ambiente alla temperatura di 24 °C. Calcola di quanto aumenta il livello dell’acqua nel
bicchiere, una volta raggiunto l’equilibrio termico (ricorda di considerare sia la dilatazione
dell’acqua sia la dilatazione del vetro!)
[Il coefficiente di dilatazione volumica dell’acqua vale 4,6 ⋅ 10 – 4 °C – 1 ;
Il coefficiente di dilatazione lineare del vetro vale 9,0 ⋅ 10 – 6 °C – 1].
6) Si vogliono raffreddare 200 ml di tè, inizialmente a una temperatura di 60 °C, versandovi un
certo quantitativo di latte a una temperatura di 10 °C. Tenendo conto che il 20 % del calore ceduto
va disperso nell’ambiente, quanto latte occorre versare nel tè se si vuole ottenere una temperatura di
equilibrio di 50°C [Supponi che i calori specifici del tè e del latte siano uguali al calore specifico
dell’acqua]
7)Un cilindretto di alluminio di massa 400 g, dopo essere stato riscaldato a una temperatura di 100
°C, viene immerso in un calorimetro contenente 200 ml di acqua a una temperatura iniziale di 20
°C. Sapendo che la temperatura raggiunta all'equilibrio vale 42 °C, determina l'equivalente in acqua
del calorimetro.
8) La temperatura di una miscela di acqua e alcool, la cui massa totale è 1 kg, passa da 20 °C a 70
°C in seguito all'assorbimento di un quantitativo di calore pari a 2 ⋅ 105 J. Calcola da quanti grammi
d'acqua e quanti grammi di alcool è composta la miscela. [Il calore specifico dell’acqua vale 4186 J
/ ( kg °C ); il calore specifico dell’alcool vale 2430 J / ( kg °C ) ]
9)In una vasca, contenente 100 litri di acqua alla temperatura di 20 °C, vengono immersi 5 kg di
ferro fuso. La temperatura iniziale del ferro fuso è pari alla temperatura di fusione alla pressione
atmosferica ( = 1536 °C). Calcola la temperatura finale di equilibrio di acqua e ferro, supponendo
che la dispersione di calore sia trascurabile. [ Calore latente di fusione del ferro = 230 kJ / kg ].
10)Una pentola di acciaio contenente 5 litri di acqua è posta su un fornello a gas che fornisce una
potenza di 2000 watt. In un tempo di 10 minuti, la temperatura dell’acqua passa da 20 °C a 60 °C.
Calcola quale percentuale del calore fornito dal fornello è stata assorbita dall'acqua e quale
percentuale del calore totale si è dispersa nell'ambiente.
11) Una parete di ferro, avente uno spessore di 1 cm e una superficie di 1 m2 separa due serbatoi
contenenti acqua. Il primo serbatoio contiene 1 m3 di acqua a una temperatura iniziale di 40 °C,
mentre il secondo serbatoio contiene 4 m3 di acqua a una temperatura iniziale di 20 °C. Calcola la
temperatura dell’acqua contenuta in ciascuno dei due serbatoi dopo un minuto, supponendo che le
dispersioni di calore nell’ambiente siano trascurabili. E’ possibile calcolare i valori delle
temperature dopo un’ora? Argomenta adeguatamente la tua risposta.
MATERIAL
E
Ferro
DENSITA’
(g/cm3)
7,8
CALORE SPECIFICO (J/g
°C)
0,480
CONDUCIBILITA’ TERMICA (W
/m °C)
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12)Un cubetto di alluminio di massa 400 g, dopo essere stato riscaldato a una temperatura di 100
°C, viene immerso in un calorimetro contenente 200 ml di acqua a una temperatura iniziale di 20
°C. Sapendo che la temperatura raggiunta all'equilibrio vale 42 °C, determina:
- il quantitativo di calore ceduto dall’alluminio;
- il quantitativo di calore assorbito dall’acqua;
- la percentuale di calore disperso nell’ambiente, rispetto al calore totale ceduto
dall’alluminio.
13)Si vogliono vaporizzare 200 cm3 di acqua, inizialmente a una temperatura di 20 °C, contenuti
all’interno di un recipiente metallico posto su un fornello acceso che fornisce 400 J al secondo.
Calcola il tempo necessario, supponendo che le dispersioni di calore nell’ambiente siano
trascurabili.
Dati utili:
Coefficiente di dilatazione termica lineare del ferro = 12 ⋅ 10 – 6 °C – 1 ;
Calore specifico dell’alluminio = 880 J / ( kg °C ) ;
Calore specifico dell’acqua = 4180 J / ( kg °C ) ;
Calore latente di vaporizzazione dell’acqua = 2250 J / g