del testo - Libreria Universo
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indice 25-03-2009 10:49 Pagina III Indice Prefazione XI 1 Misura e vettori 1.1 Le origini della fisica 2 1.2 Unità di misura 3 1.3 Conversione di unità di misura 6 1.4 Dimensioni delle grandezze fisiche 7 1.5 Cifre significative e ordini di grandezza 8 1.6 Vettori 14 1.7 Proprietà generali dei vettori 14 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Un minuto di 61 secondi 21 RIEPILOGO 22 PROBLEMI 23 Parte I • MECCANICA 2 Moto in una dimensione 2.1 Spostamento e velocità 28 2.2 Accelerazione 35 2.3 Moto uniformemente accelerato 37 2.4 Integrazione 47 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Acceleratori lineari 51 RIEPILOGO 52 PROBLEMI 53 indice 25-03-2009 IV 10:49 | Pagina IV Indice © 978-88-08-06625-1 3 Moto in due e tre dimensioni 3.1 Spostamento, velocità e accelerazione 64 3.2 Moto di un proiettile 71 3.3 Moto circolare 78 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI GPS: vettori calcolati durante il moto 82 RIEPILOGO 83 PROBLEMI 84 4 Le leggi di Newton 4.1 La prima legge di Newton 94 4.2 Forza e massa 95 4.3 La seconda legge di Newton 97 4.4 Forza di gravità e peso 99 4.5 Forze di contatto 101 4.6 Diagrammi di corpo libero 104 4.7 La terza legge di Newton 109 4.8 Problemi con due o più corpi 111 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Montagne russe e velocità 114 RIEPILOGO 115 PROBLEMI 116 5 Ulteriori applicazioni delle leggi di Newton 5.1 Attrito 128 5.2 Forze di resistenza 139 5.3 Moto su traiettoria curvilinea 141 Integrazione numerica: metodo di Eulero 147 Centro di massa 149 * 5.4 5.5 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Ricostruzione di un incidente: misure e forze 158 RIEPILOGO 159 PROBLEMI 160 indice 19-03-2009 14:56 Pagina V Indice © 978-88-08-06625-1 6 Lavoro ed energia cinetica 6.1 Lavoro compiuto da una forza costante 174 6.2 Lavoro compiuto da una forza variabile (moto rettilineo) 179 6.3 Prodotto scalare 182 6.4 Teorema del lavoro e dell’energia cinetica (traiettoria curvilinea) 188 Lavoro e moto del centro di massa 190 * 6.5 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Montagne russe e bagagli 193 RIEPILOGO 194 PROBLEMI 195 7 Conservazione dell’energia 7.1 Energia potenziale 202 7.2 Conservazione dell’energia meccanica 209 7.3 Conservazione dell’energia 219 7.4 Massa ed energia 228 7.5 Quantizzazione dell’energia 231 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Processi dissipativi nelle turbine eoliche 233 RIEPILOGO 234 PROBLEMI 236 8 Conservazione della quantità di moto 8.1 La quantità di moto e la sua conservazione 248 8.2 Energia cinetica di un sistema 254 8.3 Urti 255 Urti nel riferimento del centro di massa 271 Massa variabile e propulsione a reazione 273 * 8.4 8.5 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Motori a reazione più veloci... e rumorosi! 277 RIEPILOGO 278 PROBLEMI 279 | V indice 19-03-2009 VI | 14:56 Pagina VI Indice © 978-88-08-06625-1 9 Moto rotatorio 9.1 Velocità e accelerazione angolare 290 9.2 Energia cinetica rotazionale 292 9.3 Calcolo del momento d’inerzia 294 9.4 La seconda legge di Newton per il moto rotatorio 301 9.5 Applicazioni della seconda legge di Newton per il moto rotatorio 303 9.6 Rotolamento 310 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Centrifughe velocissime 10 316 RIEPILOGO 317 PROBLEMI 318 Momento angolare 10.1 Natura vettoriale del moto rotatorio 332 10.2 Momento di una forza e momento angolare 334 10.3 Conservazione del momento angolare 341 * 10.4 Quantizzazione del momento angolare 350 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Momento angolare atmosferico 353 RIEPILOGO 354 PROBLEMI 355 R Relatività speciale R.1 Postulati di Einstein 364 R.2 Righelli in moto 366 R.3 Orologi in moto 367 R.4 Ancora righelli in moto 370 R.5 Orologi distanti e simultaneità 371 R.6 Quantità di moto, massa ed energia relativistiche 375 RIEPILOGO 377 PROBLEMI 378 indice 19-03-2009 14:56 Pagina VII Indice © 978-88-08-06625-1 11 Gravitazione 11.1 Le leggi di Keplero 384 11.2 Legge di gravitazione universale 387 11.3 Energia potenziale gravitazionale 394 11.4 Campo gravitazionale 398 * 11.5 Campo gravitazionale di un guscio sferico 404 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Lenti gravitazionali: una finestra sull’universo 12 406 RIEPILOGO 407 PROBLEMI 408 Equilibrio statico ed elasticità 12.1 Condizioni di equilibrio 418 12.2 Il centro di gravità 418 12.3 Esempi di equilibrio statico 419 12.4 Equilibrio statico in un riferimento accelerato 426 12.5 Stabilità dell’equilibrio rotazionale 427 12.6 Problemi indeterminati 428 12.7 Sforzi e deformazione 429 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Nanotubi di carbonio: piccoli e potenti 13 432 RIEPILOGO 433 PROBLEMI 434 Meccanica dei fluidi 13.1 Densità 444 13.2 Pressione in un fluido 445 13.3 Spinta di Archimede e principio di Archimede 452 13.4 Dinamica dei fluidi 458 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Aerodinamica e automobilismo 468 RIEPILOGO 469 PROBLEMI 470 | VII indice 19-03-2009 VIII | 14:56 Pagina VIII Indice © 978-88-08-06625-1 Parte II • OSCILLAZIONI E ONDE 14 Oscillazioni 14.1 Oscillatore armonico semplice 478 14.2 Energia nel moto armonico semplice 485 14.3 Esempi di sistemi oscillanti 488 14.4 Oscillazioni smorzate 497 14.5 Oscillazioni forzate e risonanza 501 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Al ritmo del Millennium Bridge 15 506 RIEPILOGO 507 PROBLEMI 508 Propagazione di onde 15.1 Introduzione 516 15.2 Onde periodiche 523 15.3 Onde in tre dimensioni 529 15.4 Onde e ostacoli 533 15.5 Effetto Doppler 538 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Bacini sedimentari e risonanza delle onde sismiche 16 544 RIEPILOGO 545 PROBLEMI 547 Sovrapposizione e onde stazionarie 16.1 Sovrapposizione di onde 556 16.2 Onde stazionarie 564 * 16.3 Argomenti facoltativi 572 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Architettura e acustica 576 RIEPILOGO 577 PROBLEMI 578 indice 25-03-2009 10:44 Pagina IX Indice © 978-88-08-06625-1 Parte III • TERMODINAMICA 17 Temperatura e teoria cinetica dei gas 17.1 Equilibrio termico e temperatura 588 17.2 Termometri a gas e temperatura assoluta 590 17.3 Equazione di stato dei gas perfetti 593 17.4 Teoria cinetica dei gas 598 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Termometri molecolari 18 608 RIEPILOGO 609 PROBLEMI 610 Calore e primo principio della termodinamica 18.1 Capacità termica e calore specifico 616 18.2 Cambiamenti di stato e calore latente 619 18.3 Primo principio della termodinamica 622 18.4 Energia interna di un gas perfetto 625 18.5 Lavoro e diagramma PV per un gas 626 18.6 Capacità termiche dei gas 630 18.7 Capacità termiche dei solidi 635 18.8 Limiti del teorema di equipartizione dell’energia 635 18.9 Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche di un gas 639 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Respirometria 19 643 RIEPILOGO 644 PROBLEMI 646 Secondo principio della termodinamica 19.1 Macchine termiche e secondo principio della termodinamica 654 19.2 Macchine refrigeranti e secondo principio della termodinamica 658 19.3 Macchina di Carnot 661 * 19.4 Pompe di calore 667 19.5 Irreversibilità, disordine ed entropia 669 19.6 Entropia e capacità di compiere lavoro 676 19.7 Entropia e probabilità 677 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI L’eterna ricerca del moto perpetuo 679 RIEPILOGO 680 PROBLEMI 681 | IX indice 19-03-2009 | X 20 14:57 Pagina X Indice © 978-88-08-06625-1 Processi termici e relative proprietà 20.1 Dilatazione termica 690 20.2 Equazione di van der Waals e isoterme liquido-vapore 694 20.3 Diagrammi di fase 697 20.4 Trasmissione di calore 698 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Isole di calore: notti calde in città 710 RIEPILOGO 711 PROBLEMI 712 APPENDICE A Unità SI e fattori di conversione APPENDICE B Dati numerici APPENDICE 717 719 C Tavola periodica degli elementi 723 Compendio di matematica 725 M.1 M.2 M.3 M.4 M.5 M.6 M.7 M.8 M.9 M.10 M.11 M.12 Cifre significative 725 Equazioni 726 Proporzionalità diretta e inversa 728 Equazioni di primo grado (lineari) 729 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione 730 Potenze e logaritmi 732 Geometria 735 Trigonometria 736 Sviluppo binomiale 742 Numeri complessi 743 Calcolo differenziale 745 Calcolo integrale 752 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari 755 Indice analitico 779 Tavole 787 indice 21-09-2009 10:34 Pagina III Indice Prefazione IX Parte IV • ELETTROMAGNETISMO 21 Il campo elettrico: distribuzioni discrete di carica 21.1 La carica 718 21.2 Conduttori e isolanti 721 21.3 La legge di Coulomb 723 21.4 Il campo elettrico 728 21.5 Linee di campo elettrico 735 21.6 Azione del campo elettrico sulle cariche 738 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI 743 Vernici elettrostatiche in polvere 22 RIEPILOGO 744 PROBLEMI 745 Il campo elettrico: distribuzioni continue di carica S 22.1 Calcolo del campo E con la legge di Coulomb 752 22.2 La legge di Gauss 762 S 22.3 Uso della simmetria per calcolare E con la legge di Gauss 766 22.4 Discontinuità di En 773 22.5 Carica e campo su superfici di conduttori 774 * 22.6 Equivalenza della legge di Gauss e della legge di Coulomb in elettrostatica 777 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Distribuzioni di carica e sensazioni piccanti 778 RIEPILOGO 779 PROBLEMI 780 indice 11-09-2009 IV 23 | 16:32 Pagina IV Indice © 978-88-08-04881-3 Il potenziale elettrico 23.1 Differenza di potenziale 788 23.2 Potenziale dovuto a un sistema di cariche puntiformi 791 23.3 Calcolo del campo elettrico dal potenziale 796 23.4 Calcolo di V per distribuzioni continue di carica 797 23.5 Superfici equipotenziali 805 23.6 Energia potenziale elettrostatica 811 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI I fulmini: campi di attrazione 24 815 RIEPILOGO 816 PROBLEMI 818 Capacità 24.1 Capacità e condensatori 826 24.2 L’immagazzinamento dell’energia elettrica 830 24.3 Condensatori, batterie e circuiti 834 24.4 Dielettrici 841 24.5 I dielettrici dal punto di vista molecolare 848 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI L’evoluzione dei condensatori 25 852 RIEPILOGO 853 PROBLEMI 855 Corrente elettrica e circuiti a corrente continua 25.1 La corrente e il moto delle cariche 864 25.2 Resistenza e legge di Ohm 868 25.3 Energia nei circuiti elettrici 873 25.4 Combinazioni di resistori 878 25.5 Leggi di Kirchhoff 884 25.6 Circuiti RC 892 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI I sistemi elettrici delle automobili: le innovazioni 898 RIEPILOGO 899 PROBLEMI 901 indice 11-09-2009 16:32 Pagina V Indice © 978-88-08-04881-3 26 Il campo magnetico 26.1 Forza esercitata dal campo magnetico 912 26.2 Moto di una carica puntiforme in un campo magnetico 916 26.3 Momenti su spire di corrente e magneti 924 26.4 Effetto Hall 928 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Terra e Sole: variazioni del campo magnetico 27 932 RIEPILOGO 933 PROBLEMI 934 Sorgenti del campo magnetico 27.1 Campo magnetico dovuto a cariche puntiformi in moto 942 27.2 Campo magnetico dovuto a correnti: legge di Biot-Savart 943 27.3 Legge di Gauss per il magnetismo 956 27.4 Legge di Ampère 957 27.5 Il magnetismo nella materia 961 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Solenoidi al lavoro 28 971 RIEPILOGO 972 PROBLEMI 974 Induzione magnetica 28.1 Il flusso magnetico 984 28.2 Fem indotta e legge di Faraday 985 28.3 Legge di Lenz 989 28.4 Fem mozionale 993 28.5 Le correnti parassite 998 28.6 Induttanza 998 28.7 Energia magnetica * 28.8 Circuiti RL 28.9 Proprietà magnetiche dei superconduttori 1001 1003 1007 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Le promesse dei superconduttori 1009 RIEPILOGO 1010 PROBLEMI 1011 | V indice 11-09-2009 VI 29 | 16:32 Pagina VI Indice © 978-88-08-04881-3 Circuiti a corrente alternata 29.1 Corrente alternata in un resistore 1020 29.2 Induttori e condensatori nei circuiti a corrente alternata 1023 * 29.3 Il trasformatore 1028 * 29.4 Circuiti LC e RLC senza generatore 1031 * 29.5 Fasori 1034 * 29.6 Circuiti RLC alimentati 1035 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI La distribuzione dell’energia elettrica 30 1043 RIEPILOGO 1044 PROBLEMI 1046 Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche 30.1 La corrente di spostamento di Maxwell 1054 30.2 Le equazioni di Maxwell 1057 30.3 Equazione d’onda per le onde elettromagnetiche 1058 30.4 Radiazione elettromagnetica 1064 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Trasmissioni senza fili e frequenze utilizzabili 1073 RIEPILOGO 1074 PROBLEMI 1076 Parte V • LUCE 31 Proprietà della luce 31.1 Velocità della luce 1082 31.2 Propagazione della luce 1085 31.3 Riflessione e rifrazione 1086 31.4 Polarizzazione 1096 31.5 Derivazione delle leggi della riflessione e della rifrazione 1103 31.6 Dualità onda-particella 1105 31.7 Spettri della luce 1106 * 31.8 Sorgenti della luce 1107 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Vortici ottici e pinze ottiche: la luce al lavoro 1114 RIEPILOGO 1115 PROBLEMI 1116 indice 11-09-2009 16:32 Pagina VII Indice © 978-88-08-04881-3 32 Formazione di immagini 32.1 Specchi 1124 32.2 Lenti 1134 * 32.3 Aberrazioni 1147 * 32.4 Strumenti ottici 1148 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Evoluzione della chirurgia oculistica 33 1157 RIEPILOGO 1158 PROBLEMI 1160 Interferenza e diffrazione 33.1 Differenza di fase e coerenza 1168 33.2 Interferenza negli strati sottili 1169 33.3 Pattern d’interferenza per due fessure 1171 33.4 Pattern di diffrazione per una fessura singola 1175 * 33.5 Uso dei fasori per sommare onde armoniche 1178 33.6 Diffrazione di Fraunhofer e di Fresnel 1185 33.7 Diffrazione e risoluzione 1186 * 33.8 Reticoli di diffrazione 1188 LA FISICA E IL MONDO INTORNO A NOI Gli ologrammi: interferenza guidata 1191 RIEPILOGO 1192 PROBLEMI 1193 APPENDICE A Unità SI e fattori di conversione APPENDICE B Dati numerici APPENDICE A.1 A.3 C Tavola periodica degli elementi A.6 Compendio di matematica A.9 M.1 M.2 M.3 M.4 M.5 M.6 M.7 Cifre significative A.9 Equazioni A.10 Proporzionalità diretta e inversa A.12 Equazioni di primo grado (lineari) A.13 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14 Potenze e logaritmi A.16 Geometria A.19 | VII indice 21-09-2009 | VIII M.8 M.9 M.10 M.11 M.12 10:35 Pagina VIII Indice © 978-88-08-04881-3 Trigonometria A.20 Sviluppo binomiale A.26 Numeri complessi A.27 Calcolo differenziale A.29 Calcolo integrale A.36 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari A.39 Indice analitico A.59 Tavole A.68 indice 16-09-2009 16:13 Pagina III Indice Prefazione VII Parte VI • FISICA MODERNA 34 Dualità onda-particella e fisica quantistica 34.1 Onde e particelle 1200 34.2 Luce: da Newton a Maxwell 1200 34.3 Natura particellare della luce: fotoni 1201 34.4 Quantizzazione dell’energia negli atomi 1206 34.5 Onde di elettroni e di materia 1207 34.6 Interpretazione della funzione d’onda 1211 34.7 Dualità onda-particella 1213 34.8 Una particella in una scatola 1215 34.9 Valori di aspettazione 1219 34.10 Quantizzazione dell’energia in altri sistemi 1222 35 RIEPILOGO 1224 PROBLEMI 1225 Applicazioni dell’equazione di Schrödinger 35.1 L’equazione di Schrödinger 1230 35.2 Singola particella in un potenziale finito a buca quadrata 1232 35.3 Oscillatore armonico 1234 35.4 Riflessione e trasmissione di onde di elettroni: penetrazione attraverso una barriera 1237 35.5 Equazione di Schrödinger in tre dimensioni 1243 35.6 Equazione di Schrödinger per due particelle identiche 1246 RIEPILOGO 1249 PROBLEMI 1250 indice 16-09-2009 IV 36 | 16:13 Pagina IV Indice © 978-88-08-24882-4 Atomi 36.1 L’atomo 1254 36.2 Il modello di Bohr per l’atomo di idrogeno 1255 36.3 Teoria quantistica degli atomi 1260 36.4 Teoria quantistica dell’atomo di idrogeno 1262 36.5 Effetto spin-orbita e struttura fine 1267 36.6 La tavola periodica 1270 36.7 Spettri ottici e spettri dei raggi X 1277 37 RIEPILOGO 1281 PROBLEMI 1283 Molecole 37.1 Legami molecolari 1288 37.2 Molecole poliatomiche 1295 37.3 Livelli energetici e spettri di molecole biatomiche 1297 38 RIEPILOGO 1304 PROBLEMI 1305 Solidi 38.1 Struttura dei solidi 1308 38.2 Descrizione microscopica della conduzione 1312 38.3 Elettroni liberi in un solido 1315 38.4 Teoria quantistica della conduzione elettrica 1322 38.5 Teoria a bande dei solidi 1323 38.6 Semiconduttori 1325 38.7 Giunzioni e dispositivi a semiconduttore 1327 38.8 Superconduttività 1331 38.9 Distribuzioni di Fermi-Dirac 1335 RIEPILOGO 1339 PROBLEMI 1341 indice 16-09-2009 16:14 Pagina V Indice © 978-88-08-24882-4 39 Relatività 39.1 Relatività newtoniana 1346 39.2 Postulati di Einstein 1347 39.3 Trasformazione di Lorentz 1348 39.4 Sincronizzazione degli orologi e simultaneità 1356 39.5 Trasformazione della velocità 1362 39.6 Momento relativistico 1366 39.7 Energia relativistica 1367 39.8 Relatività generale 1374 40 RIEPILOGO 1377 PROBLEMI 1378 Fisica nucleare 40.1 Proprietà dei nuclei 1384 40.2 Radioattività 1388 40.3 Reazioni nucleari 1395 40.4 Fissione e fusione 1398 41 RIEPILOGO 1409 PROBLEMI 1410 Particelle elementari e origine dell’universo 41.1 Adroni e leptoni 1416 41.2 Spin e antiparticelle 1419 41.3 Leggi di conservazione 1422 41.4 Quark 1426 41.5 Particelle di campo 1429 41.6 Teoria elettrodebole 1430 41.7 Modello standard 1430 41.8 Evoluzione dell’universo 1432 RIEPILOGO 1435 PROBLEMI 1436 | V indice 16-09-2009 16:14 | VI APPENDICE Pagina VI Indice A Unità SI e fattori di conversione APPENDICE A.1 B Dati numerici APPENDICE © 978-88-08-24882-4 A.3 C Tavola periodica degli elementi A.6 Compendio di matematica A.9 M.1 M.2 M.3 M.4 M.5 M.6 M.7 M.8 M.9 M.10 M.11 M.12 Cifre significative A.9 Equazioni A.10 Proporzionalità diretta e inversa A.12 Equazioni di primo grado (lineari) A.13 Equazioni di secondo grado e fattorizzazione A.14 Potenze e logaritmi A.16 Geometria A.19 Trigonometria A.20 Sviluppo binomiale A.26 Numeri complessi A.27 Calcolo differenziale A.29 Calcolo integrale A.36 Risposte ai problemi di fine capitolo con numerazione dispari A.39 Indice analitico A.45 Tavole A.50
