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Capire la Fisica
Livello base
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Andrea de Capoa
24 febbraio 2016
Parte I
Riassunti di fisica
2
3
Scheda0.
spa
z io
Onde: Scheda 6
fo
rz
er
a
gi
Dinamica:
Scheda 2
en
Fisica
erg
ia
en
ete
mp
o
e
Cinematica:
Scheda 1
Termodinamica:
Scheda 5
er
en
g ia
Energia: Scheda 3
Calorimetria:
Scheda 4
Cinematica
Scheda 1
In questa scheda ci occupiamo di descrivere come si muovono gli oggetti. Per
cominciare elenchiamo le grandezze fisiche che utilizzeremo; poi parliamo dei
singoli tipi di movimenti.
1.1
1.1.1
Legge di composizione delle velocità
Visto che la descrizione della posizione di un oggetto dispende dal sistema di riferimento, anche la descrizione della velocità di un oggetto dipende dal sistema di
riferimento. Se una persona osserva due auto che si inseguono, egli potrà dire per
esempio:
Grandezze sinematiche
• La prima auto scappa viaggiando a V1 = 70 km
h e la seconda auto insegue
viaggiando a V2 = 100 km
h
Posizioone e sistemi di riferimento
La posizione di un oggetto è il punto in cui si trova. Sebbene il concetto di posizione sia un concetto assoluto, il modo con cui indichiamo la posizione dipende
dall’osservatore. Persone diverse possono indicare in modo differente la posizione dello stesso oggetto. Se vi trovate al quarto piano di un palazzo, direte che il
tetto sta sopra di voi; contemporaneamente lo stesso tetto si trova sotto gli uccelli
che volano nel cielo. Persone diverse descrivono la posizione dello stesso oggetto
in modo diverso, perchè utilizzano differenti sistemi di riferimento.
1.1.2
Una persona seduta dentro l’auto che scappa dirà
• La seconda auto si avvicina alla prima alla velocità Vrelativa = V2 − V1 =
30 km
h
Se le due auto si stesseroi muovento una verso l’altra la velocità relativa sarebbe
la somma delle velocità delle due auto.
Spostamento
1.1.5
~ è una variazione di posizione di un corpo. Lo spostamento
Uno spostamento ∆S
è quindi il vettore che parte dalla posizione iniziale del corpo per arrivare nella
posizione finale del corpo. Lo spostamento è una grandezza vettoriale.
1.1.3
L’accelerazione mi dice quanto cambia la velocità nel tempo a = ∆V
∆t ; conta di
quanto cambia la velocità ed in quanto tempo effettui tale cambiamento. Attenzione che la velocità è una grandezza vettoriale, quindi la variazione di velocità
indica di quanto cambia il vettore velocità. Le l’oggetto va più forte o più piano,
cambia il vettore velocità in quanto cambia il suo modulo; se l’oggetto fa una curva
senza andare ne più forte ne più piano, cqambia il vettore velocità perchè cambia
la direzione del vettore.
Velocità
La velocità è una variazione di posizione nel tempo V = ∆S
∆t ; conta di quanto ti
sposti ed in quanto tempo effettui tale spostamento. La velocità è una grandezza
vettoriale.
1.1.4
1.2
Velocità media
Moto rettilineo uniforme
Il moto rettilineo uniforme è definito dicendo che l’oggetto si muove con velocità
costante, per cui l’oggetto si muove sempre in linea retta, sempre nello stesso verso
e sempre con la stessa rapidità.
~ = cost
V
La velocità media di un oggetto è definita come il rapporto tra tutto lo spazio
percorso dall’oggetto diviso tutto il tempo impiegato a percorrerlo.
Vmedia =
Accelerazione
∆Stot
∆ttot
4
5
Scheda1. Cinematica
L’unica formula da utilizzare per analizzare il moto è
∆S = V · ∆t
verticale. un qualunque oggetto lanciato per aria si muove di moto parabolico in
quanto, trascurando l’effetto dell’aria, subisce solo l’accelerazione di gravità che è
sempre verticale.
dove ∆S è la distanza percorsa dall’oggetto in moto, V è la sua velocità, δt è
l’intervallo di tempo trascorso.
1.3
Moto rettilineo uniformemente accelerato
Nel moto rettilineo uniformemente accelerato l’unico concetto importante è che
l’accelerazione dell’oggetto è costante
~a = cost
L’oggetto nel muoversi cambia sia la posizione che la sua velocità per cui le uniche
formule da utilizzare sono
∆S =
1
· a · ∆t2 + Vi · ∆t
2
∆V = a · ∆t
Dove Vi è la velocità iniziale dell’oggetto. Un oggetto in caduta (trascurando gli
effetti dell’attrito con l’aria) è un buon esempio di moto uniformemente accelerato.
1.4
Moto circolare uniforme
In un moto circolare uniforme l’oggetto segue una traiettoria circolare. Il modulo della velocità è costante così come l’accelerazione che subisce. L’accelerazione
è sempre perpendicolare alla velocità dell’oggetto. L’accelerazione punta quindi
sempre verso il centro della circonferenza ed è detta accelerazione centripeta.
1.5
Moto parabolico
Un oggetto si muove di moto parabolico quando si muove contemporaneamente
di moto rettilineo uniforme in orizzontale e di moto unifpormemente accelerato in
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
Dinamica
Scheda 2
ed opposta. Provate, stando dritti, a spingere qualcosa... voi vi sentirete
automaticamente spinti nel verso opposto!
In questa scheda parliamo della dinamica a libello base, dando solo i concetti fondamentali che dovranno poi essere approfonditi utilizzando le schede specifiche. La dinamica parla delle Forze (quelle che nella nostra vita quotidiana
identifichiamo come spinte) e dei loro effetti quando applicate sugli oggetti.
2.2
2.1
Principi della dinamica
Le forze
Per gli scopi di questo corso noi studieremo solo quattro forze: la forza di gravità,
la forza elastica, la forza di Archimede e la forza di attrito.
Di qualunque natura sia una forza, essa di fatto segue sempre tre principi fondamentali:
2.2.1
1. Primo Principio:
La forza di gravità
La forza di gravità è quella che tira verso il basso tutti gli oggetti che hanno massa.
Esiste perchè il pianeta Terra, essendo dotato di massa, attira tutti gli oggetti verso
il suo centro. Si calcola moltiplicando la massa per l’accelerazione di gravità.
~ = cost ⇔ F~tot = 0
V
Nella frase appena scritta ci sono due affermazioni:
• Se un oggetto ha velocità costante allora come conseguenza la somma
di tutte le forze che agiscono su di esso è zero.
Fg = m · g
La forza di gravità si applica nel baricentro dell’oggetto.
• Se la somma di tutte le forze che agiscono su di un oggetto è zero allora
come conseguenza la velocità è costante.
2.2.2
Questo significa che l’effetto di una forza è un’accelerazione; infatti se la forza totale non è nulla allora la velocità cambia (quindi c’è una accelerazione)
La forza di Archimede
la forza di Archimede è quella che subisce ogni oggetto che si trova immerso in
un fluido (che può essere gassoso o liquido); è sempre verso l’alto e dipende da
quanto è grande la parte dell’oggetto immersa nel fluido. Si calcola moltiplicando
la densità del fluido per il volume di fluido spostato per l’accelerazione di gravità.
2. Secondo Principio:
F~ = m~a
FArc = ρf · Vf s · g
Che l’effetto di una forza sia un’accelerazione lo abbiamo appena visto... il
secondo principio introduce il concetto di massa. Applicando una certa foza
su di un oggetto con una certa massa, se la massa è grande l’accelerazione
che ne consegue sarà piccola e viceversa.
La forza di Archimede si applica nel baricentro del fluido spostato (che nella maggor parte dei casi coincide con il centro della parte dell’oggetto immersa nel fluido).
3. Terzo Principio:
F~ab = −F~ba
2.2.3
Prendiamo due corpi che per comodità chiameremo a e b. Se a fa una forza su b, allora come diretta conseguenza b farà su di a una forza uguale
La forza elastica
Alcuni oggetti, se deformati (non eccessivamente) e poi rilasciati, ritornano della
forma iniziale: per esempio le molle, gli archi, gli elastici di gomma, i rami degli
6
7
Scheda2. Dinamica
alberi, ecc. Tali oggetti sono detti oggetti elastici. Se deformati, essi fanno una forza
che dipende dalle loro caratteristiche e da quanto vengono deformati. La forza
elastica esercitata da una molla la calcolo
F = k · ∆l
b
F~
dove k è la costante elastica della molla e dipende da come la molla è stata costruita,
∆l
è la variazione di lunghezza della molla.
2.2.4
La forza di attrito
La forza di attrito è un tipo di forza che rallenta sempre il movimento degli oggetti
ed è quindi sempre opposta alla velocità dell’oggetto. Tale forza agisce ogni volta
che un oggetto striscia o rotola contro un altro, o quando un oggetto si muove in
un fluido. Agisce nel punto di contatto dell’oggetto con il materiale che provoca
l’attrito.
Figura 2.1: Momento di una forza.
Equilibrio traslazionale Un oggetto è in equilibrio traslazionale quanto la somma di tutte le forze su di lui è zero
F~tot = 0
2.3
I momenti delle forze
Ogni forza ha la capacità di far ruotare gli oggetti. Tale capacità, che si chiama Momento di una forza, dipende da due fattori: l’intensità della forza e la sua distanza
dal punto di rotazione. Il momento di una forza si calcola moltiplicando la forza
per il braccio della forza
M =F ·b
dove il braccio è la distanza tra il punto di rotazione dell’oggetto e la linea della
forza.
2.4
per cui ci troviamo esattamente nella situazione del primo principio della dinamica: si muove con velocità costante o è fermo.
Equilibrio rotazionale Un oggetto è in equilibrio rotazionale quanto la somma
di tutti i momenti su di lui è zero
~ tot = 0
M
per cui ruota con velocità angolare costante o non ruota.
L’equilibrio
Visto lo scopo del corso, nella maggior parte dei casi vi verranno presentati esercizi
sui concetti di equilibrio: equilibrio rotazionale ed equilibrio traslazionale.
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
Energia
Scheda 3
In questa scheda parliamo della legge di conservazione dell’energia. L’energia
è una grandezza fisica importante proprio perchè vale la legge di conservazione
dell’energia.
3.1
3.1.4
Il calore è una forma di energia. In questa scheda ci limitiamo a dire che il calore
viene prodotto ogni volta che avviamo a che fare con delle forze di attrito.
I vari tipi di energia
3.2
Esistono diversi tipi di energia. Ogni volta che analizziamo un sistema fisico
dobbiamo saper capire quali siano i vari tipi di energia presenti.
3.1.1
Calore
La legge di conservazione dell’energia
In un sistema fisico isolato la quantità totale di energia è sempre la stessa. Non
importa cosa succede, come il sistema evolve o quali forze agiscono; se prendo
due istanti differenti l’energia totale calcolata nel primo istante sarà sicuramente
uguale all’energia totale presente nel secondo istante.
Energia cinetica
Un oggetto che ha una certa massa m possiede energia cinetica solo per il fatto che
si muove alla velocità V . L’energia cinetica di un oggetto si calcola
Ec =
3.1.2
3.3
1
·m·V2
2
Per dare energia cinetica ad un oggetto devo fare su di esso un lavoro, cioè devo
fare su di esso una forza mentre l’oggetto si sposta
Energia potenziale gravitazionale
~
L = F~ · ∆S
Un oggetto che ha una certa massa m possiede energia potenziale gravitazionale solo per il fatto che si trova ad una certa altezza h. L’energia potenziale
gravitazionale di un oggetto si calcola
Visto che l’energia non si crea e non si distrugge, un forza, facendo un lavoro, converte una qualche energia potenziale in cinetica o viceversa. Per esempio, quando
un oggetto cade, la forza di gravità fa un lavoro e converte energia potenziale gravitazionale in energia cinetica; quando un oggetto rallenta strisciando a terra, è
perchè la forza di attrito, facendo un lavoro negativa, converte energia cinetica in
calore.
U =m·g·h
tenendo conto che g è l’accelerazione di gravità.
3.1.3
Energia potenziale elastica
Se prendiamo una molla e la allunghiamo o accorciamo di una quantità ∆l stiamo
immagazzinando dentro la molla dell’energia potenziale elastica. Le caratteristiche elastiche di una molla sono definite dalla costante elastica della molla k; un
numero che mi indica quanta forza devo fare per allungare tale molla di una certa
quantità. L’energia potenziale elastica immagazzinata in una molla si calcola
Vel =
Lavoro di una forza
3.4
Potenza
Il concetto di potenza indica una variazione di energia in un certo intervallo di
tempo.
1
· k · ∆l2
2
P =
8
∆E
∆t
9
Scheda3. Energia
Il tipo di energia di cui si parla dipende dalla situazione fisica che stiamo analizzando. una certa apparecchiatura sarà molto potente se fornirà molta energia
in poco tempo. Se parliamo del motore di un’auto, l’energia fornita sarà il lavoro
L
. Se parliamo della potenza di una stufa allora l’energia
fatto dal motore P =
∆t
fornita sarà sotto forma di calore P = ∆Q
∆t
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
Calorimetria
Scheda 4
dove ∆Q è il calore dato all’oggetto, m è la massa dell’oggetto, δT è la variazione
di temperatura dell’oggetto è cs è il calore specifico dell’oggetto e dipende dal
materiale di cui è fatto.
In questa scheda parliamo di cosa succede quando diamo o togliamo calore ad
un corpo. I due concetti chiave per questa sezione sono il calore e la temperatura.
4.1
Calore e temperatura
Due oggetti a contatto
Calore Il calore è una forma di energia; può essere dato o tolto ad un oggetto e
questo fa accadere determinati fenomeni fisici1 .
Quando mettiamo due oggetti a contatto, questi si scambiano calore. Il calore
si muove sempre dall’oggetto più caldo al più freddo, per cui l’oggetto più caldo si raffredda e l’oggetto più freddo si riscalda fino a che raggiungono la stessa
temperatura.
Temperatura Ogni corpo è fatto di atomi e molecole. Questi non sono mai fermi
ma si muovono con una certa velocità ed hanno quindi una certa energia cinetica.
La temperatura di un corpo è un’indice dell’energia cinetica media delle molecole
del corpo. Visto che l’energia cinetica di una molecola ha un limite inferiore, infatti
non può mai valere meno di zero, allora anche la temperatura di un corpo ha un
limite inferiore sotto il quale il concetto di temperatura non ha più significato.
4.2
4.2.2
Se diamo calore ad un corpo, ma ci troviamo a ben precise temperature che dipendono dal tipo di materiale di cui è fatto il corpo, invece di un riscaldamento
può avvenire una transizione di fase o passaggio di stato. La materia si presenta
in natura in tre stati differenti: solido liquido e gassoso. La differenza tra questi
tre stati dipende da quanto sono legate tra loro le molecole del corpo. Nei solidi le
molecole sono molto legate tra loro e non si spostano all’interno del corpo; oscillano e vibrano rimanendo sempre nella stessa posizione. Nei liquidi le molecole
sono poco legate tra loro; non possono uscire dal liquido ma possono muoversi
all’interno di esso. Nei gas le molecole si muuovono liberamente in quanto non
sono per nulla legate tra loro. Per passare da uno stato ad un’altro bisogna spezzare o formare i legami tra le molecole, e per farlo bisogna dare o togliere calore.
La legge che descrive questo fenomeno è
Fenomeni fisici
Ci sono diversi fenomeni fisici legati agli scambi di calore, fenomeni che spesso
accadono a seconda della temperatura a cui si trova il corpo.
4.2.1
Transizioni di fase
Riscaldamento e raffreddamento
Quando diamo calore ad un corpo, a meno che non avvenga una transizione di
fase, le molecole del corpo prendono quell’energia per aumentare la loro energia
cinetica e di conseguenza la temperatura del corpo. l’aumento di temperatura
dipende sia dalla massa del corpo che dal tipo di materiale di cui è fatto. La legge
che descrive questo fenomeno è
∆Q = Qlat · m
dove m è la massa dell’oggetto e Qlat è il calore latente del materiale di cui è fatto
l’oggetto. Quest’ultima grandezza indica quanto calore, per ogni kilogrammo di
materiale, serve per rompere i legami tra le molecole di quel materiale. Visto che
il calore dato all’oggetto, per questo fenomeno fisico, viene utilizzato per rompere
o formare i legami tra le molecole, allora non viene utilizzato per far muovere
∆Q = cs · m · ∆T
1 Attenzione a non fare l’errore classico di pensare che un corpo possieda una certa quantità di calore;
un corpo ha dentro di se dell’energia che chiameremo energia interna, mentre il calore è solo energia che
io posso dare o togliere e che il corpo userà in modo opportuno.
10
11
Scheda4. Calorimetria
le molecole più velocemente, e quindi la temperatura non cambia durante una
transizione di fase.
4.2.3
Dilatazione termica
Se cambia la temperatura di un oggetto, esso cambia il suo volume, mantenendo
la forma. Per esempio una sbarra di un certo materiale, se scaldata, si allunga. E’
un fenomeno molto piccolo e poco percepibile ad occhio nudo... solo poche parti
per milione.
4.2.4
Trasporto di calore
Il calore si muove all’interno dei materiali. Se prendiamo per esempio una sbarra
di metallo, e ne scaldiamo solo un’estremità, dopo un po’ di tempo anche l’altra
sarà calda. la velocità con la quale il calore si muove dipende da vari fattori, quale
il materiale di cui è fatta tramite la conducibilità termica del materiale ρ, la sua
lunghezza l, la sua sezione S e la differenza di temperatura tra le due estremità
∆T , secondo la formula
S
∆Q
= ρ · · ∆T
∆T
l
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
Termodinamica
Scheda 5
Le trasformazioni termodinamiche Si dice trasformazione termodinamica un qualunque cambiamento dei valori delle variabili del gas. Tale cambiamento corrisponde nel piano di Clapeyron in uno spostamento del punto che rappresenta
lo stato del gas. Ogni trasformazione termodinamica è sempre causata da uno
scambio di energia tra il gas ed il mondo esterno. Noi studieremo quattro tipi di
trasformazioni:
La termodinamica studia il comportamento dei gas nel momento in cui scambiano energia con il mondo esterno tramite scambi di calore o scambi di lavoro.
5.1
La legge dei gas perfetti
Alcune delle grandezze che utilizzo per descrivere lo stato fisico di un gas sono:
1. isobare: trasformazioni a pressione costante, rappresentate sul grafico da
una linea orizzontale
• il volume V
• la pressione P
2. isocore: trasformazioni a volume costante, rappresentate sul grafico da una
linea verticale
• la temperatura T
3. isoterme: trasformazioni a temperatura costante, rappresentate sul grafico
da un’iperbole
• il numero di molecole N
L’insieme dei valori di queste quatto grandezze definisce lo stato fisico in cui
si trova quel gas. L’esperienza quotidiana ci dice che se facciamo variare una di
queste grandezze, automaticamente una o più di una delle altre cambia di conseguenza. La legge fisica che lega insieme le quattro variabili dei gas sopra citate è la legge dei gas perfetti, fatti di particelle (atomi e/o molecole) considerate
puntiformi e che non hanno alcuna interazione tra di loro.
4. adiabatiche: trasformazioni senza scambio di calore, rappresentate sul grafico da curve un po’ più ripide delle isoterme
5.3
Una trasformazione ciclica è una trasformazione nella quale il gas parte da un
certo stato iniziale per poi tornare, dopo una serie di trasformazioni, allo stesso
stato iniziale.
Ogni ciclo termodinamico fa sempre la stessa cosa:
P ·V =N ·K ·T
dove K è la costante di Boltzmann. I gas reali non sono certo così fatti, ma nella
maggior parte dei casi ci si avvicinano tanto da poter essere considerati perfetti.
5.2
Trasformazioni cicliche
1. assorbe calore da una sorgente ad alta temperatura
2. una parte di quel calore lo trasforma in lavoro
Stato e trasformazioni termodinamiche
3. la parte restante la cede al mondo esterno a bassa temperatura
Lo stato di un gas Per indicare lo stato di un gas possimo utilizzare il piano
di Clapeyron (vedi fig 5.1); un diagramma cartesiano con pressione e volume su
ordinate e ascisse. Lo stato del gas è indicato da un punto sul grafico. Se lo stato
del gas cambia, cioè il gas subisce un trasformazione termodinamica, allora il punto
che rappresenta tale stato si muove sul grafico disegnando una linea.
Un ciclo termodinamico ci serve per trasformare una parte del calore assorbito
dal gas in lavoro. Viene definito rendimento ηla percentuale di calore trasformata
in lavoro.
δLf atto
η=
δQassorbito
12
13
Scheda5. Termodinamica
2
P
1.5
2
1
P
1.8
1.6
0.5
a
1.4
V
0.5
1
1.5
1.2
2
1
Figura 5.1: Trasformazioni termodinamiche rappresentate nel piano di Clapeyron: isocora (blu), isobara
(rosso), isoterma (verde) e adiabatica (nera).
d
0.8
b
0.6
5.4
Il problema energetico
0.4
c
La societa umana per funzionare necessita di energia sotto forma di lavoro. Le fonti
di energia prevalentemente utilizzate dall’uomo (petrolio, metano, carbone, uranio) forniscono calore; ecco perchè necessitiamo di una tecnologia che trasformi il
calore in lavoro. Purtroppo l’utilizzo delle fonti energetiche come petrolio, metano, carbone e uranio, ha un impatto ambientale insostenibile. Per questo motivo
dobbiamo ridurre al minimo l’utilizzo di tali fonti, evitando di utilizzare l’energia inutilmente, utilizzando fonti di energia non inquinanti, ma soprattutto utilizzando tecnologie ad alto rendimento, in modo da poter estrarre molto lavoro dal
calore fornito dalle nostre attuali fonti di energia.
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
0.2
V
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Figura 5.2: Il ciclo di Carnot: il gas subisce una espansione isoterma (a) ad alta temperatura Talta ; successivamente una espansione adiabatica (b) che lo porta alla temperatura inferiore Tbassa , poi una compressione
isoterma (c) alla temperatura Tbassa , ed infine una compressione adiabatica (d) che lo riporta alla temperatura
Talta .
14
Scheda5. Termodinamica
Sorgente ad alta temperatura
δQa
δL
δQc
Pozzo a bassa temperatura
Figura 5.3: In un ciclo termodinamico viene prelevato dall’esterno del calore ad una alta temperatura,
trasformato una parte di esso in lavoro disperdendo come conseguenza del calore ad una temperatura più bassa.
Onde
Scheda 6
In questa scheda parliamo di fenomeni ondulatori a libello base, dando solo i
concetti fondamentali che dovranno poi essere approfonditi utilizzando le schede
specifiche.
6.1
λ
A
~
V
Definizione e descrizione di un’onda
Figura 6.1: Variabili di un’onda.
Un’onda è un movimento di energia. A propagarsi in avanti è dell’energia, e tale
propagazione avviene attraverso l’oscillazione di qualcosa. Le onde le possiamo
dividere in
• Elettromagnetiche: per le quali ad oscillare è un campo elettromagnetico
(come per esempio la luce)
6.2
Fenomeni ondulatori
6.2.1
Propagazione di un’onda
Immaginate un sasso lanciato in uno stagno. Esso genera un’onda circolare che
avanza. Il fronte d’onda dell’onda è appunto circolare, e tale cerchio diventa sempre più grande man mano che l’onda avanza. Contemporaneamente l’ampiezza
dell’onda diventa sempre minore all’avanzare dell’onda. Ciò che succede è che
l’energia portata dall’onda pè sempre costante, ma si distribuisce su di un fronte
d’onda più lungo.
Se emettete un suono succede la stessa cosa, con la sola differenza che in questo
caso l’onda è sferica. Anche in questo caso l’energia portata dall’onda si deve
conservare, e quindi aumentando le dimensioni del fronte d’onda, di conseguenza
diminuisce l’energia per ogni centimetro quadrato del fronte d’onda. Visto che il
nostro orecchio ha sempre le stesse dimensioni, se siamo più lontani raccogliamo
meno energia, e di conseguenza sentiamo un suono più debole. Dal momento
che il frfonte d’onda è una sfera, la sua dimensione aumenta con il quadrato della
distanza dalla sorgente; quindi il volume del suono diminuisce con il quadrato
della distanza dalla sorgente.
• Meccaniche: per le quali ad oscillare è il materiale nel quale tale onda si
propaga (per esempio per il suono ad oscillare sono le molecole dell’aria,
per le onde del mare ad oscillare sono le molecole d’acqua)
Per definire un’onda utilizziamo le seguenti variabili: la lunghezza d’onda, la
frequenza, l’ampiezza, il periodo, la velocità, l’intensità.
• λ: la lunghezza d’onda è la distanza tra un picco ed il picco successivo.
• ν: la frequenza è il numero di oscillazioni al secondo. L’unità di misura è
l’Hertz: Hz = 1s
• A: per un’onda meccanica l’ampiezza è la massima distanza delle molecole
dal punto di equilibrio della loro oscillazione. In un’onda elettromagnetica è
il massimo valore del campo elettrico o magnetico.
• T : il periodo è la durata di una oscillazione completa.
• V : la velocità dell’onda è il numero di metri percorsi ogni secondo.
6.2.2
• I: l’intensità dell’onda è la quantità di energia che ogni secondo incide su un
∆E
metro quadrato di superficie I = S·∆t
Quando un’onda prova a passare da un materiale ad un’alto, essa si divide in due:
un’onda riflessa ed un’onda rifratta. L’onda riflessa torna indietro con lo stesso
angolo di incidenza; l’onda rifratta entra nel nuovo materiale e cambia direzione
15
Riflessione e rifrazione
16
Scheda6. Onde
in quanto cambia la sua velocità. il raggio incidente, il raggio rifratto ed il raggio
riflesso si trovano tutti sullo stesso piano.
6.2.3
un’onda di frequenza minore rispetto alla frequenza percepita da un osservatore
fermo rispetto alla sorgente.
Interferenza
Quando due onde si trovano nello stesso luogo si sommano algebricamente. Possiamo avere interferenza costruttiva, per cui le due onde danno un’ondas di ampiezza maggiore. possiamo avere interferenza distruttiva, per cui le due onde si
sottraggono e tendono a cancellarsi.
6.2.4
Diffrazione
La diffrazione è un fenomeno per cui un’onda, nel passare da una fenditura piccola, cambia la forma del fronte d’onda che diventa circolare.
6.2.5
Risonanza
Quando un’onda incide su di un oggetto, tale oggetto può cominciare ad oscillare.
• L’oggetto oscilla con una frequenza uguale alla frequenza dell’onda incidente
• L’oggetto oscilla con un’ampiezza molto maggiore dell’ampiezza dell’onda
incidente
• L’oggetto oscilla solo se la frequenza dell’onda in ingresso è uguale ad una
delle frequenze di risonanza dell’oggetto.
6.2.6
Effetto Doppler
L’effetto Doppler consiste in un cambio della frequenza di un’onda percepita da
un osservatore dovuto alla velocità relativa tra sorgente ed osservatore. Se la sorgente si sta avvicinando all’osservatore, questo percepisce un’onda di frequenza
maggiore rispetto alla frequenza percepita da un osservatore fermo rispetto alla
sorgente. Se la sorgente si sta allontanando dall’osservatore, questo percepisce
Autore: Andrea de Capoa
17 Feb 2016
17
Scheda6. Onde
Indice
I
1
2
3
Riassunti di fisica
2
Cinematica
1.1 Grandezze sinematiche . . . . . . . . . . .
1.1.1 Posizioone e sistemi di riferimento
1.1.2 Spostamento . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Velocità . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.4 Velocità media . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Accelerazione . . . . . . . . . . . .
1.2 Moto rettilineo uniforme . . . . . . . . . .
1.3 Moto rettilineo uniformemente accelerato
1.4 Moto circolare uniforme . . . . . . . . . .
1.5 Moto parabolico . . . . . . . . . . . . . . .
Dinamica
2.1 Principi della dinamica . . . .
2.2 Le forze . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 La forza di gravità . . .
2.2.2 La forza di Archimede
2.2.3 La forza elastica . . . .
2.2.4 La forza di attrito . . .
2.3 I momenti delle forze . . . . .
2.4 L’equilibrio . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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Energia
3.1 I vari tipi di energia . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Energia cinetica . . . . . . . . . .
3.1.2 Energia potenziale gravitazionale
3.1.3 Energia potenziale elastica . . . .
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8
8
8
8
8
3.1.4
4
5
6
Calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2
La legge di conservazione dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.3
Lavoro di una forza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.4
Potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Calorimetria
10
4.1
Calore e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2
Fenomeni fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2.1
Riscaldamento e raffreddamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2.2
Transizioni di fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2.3
Dilatazione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.2.4
Trasporto di calore
11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Termodinamica
12
5.1
La legge dei gas perfetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
5.2
Stato e trasformazioni termodinamiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
5.3
Trasformazioni cicliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
5.4
Il problema energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Onde
15
6.1
Definizione e descrizione di un’onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6.2
Fenomeni ondulatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6.2.1
Propagazione di un’onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6.2.2
Riflessione e rifrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6.2.3
Interferenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
6.2.4
Diffrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
6.2.5
Risonanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
6.2.6
Effetto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16