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PREFAZIONE DEGLI AUTORI
È
tare i teoremi dei gusci nel capitolo 25 parlando di forze,
creando un legame diretto con il medesimo argomento introdotto nel capitolo 14 del primo volume a proposito di
forze gravitazionali.
questa la quinta edizione del libro di testo pubblicato
per la prima volta nel 1960 con il titolo Physics for Students
of Science and Engineering di David Halliday e Robert Resnick. Per quattro decadi questo testo è servito da strumento
chiave nei corsi introduttivi di fisica con un buon livello
matematico ed è conosciuto per la chiarezza e la completezza dell’esposizione. Nell’attuale edizione ci siamo sforzati di aumentare l’accessibilità senza sacrificare il livello o
il rigore del contenuto. Il testo è stato sostanzialmente riscritto al fine di rendere la materia più fluida e più scorrevole e di facilitare l’approccio dello studente a nuovi temi.
Abbiamo cercato di fornire esempi più pratici e di procedere, nell’introduzione di nuovi argomenti, dal particolare
al generale.
Questa edizione mette in evidenza cambiamenti significativi sia nell’approccio pedagogico sia nell’ordinamento
dei capitoli. Coloro che hanno sperimentato la quarta edizione troveranno gli stessi argomenti, ma disposti diversamente. Nel redigere questa edizione abbiamo tenuto in considerazione i consigli degli utilizzatori delle edizioni
passate e i risultati della ricerca sull’apprendimento della fisica. Sono stati quindi introdotti i seguenti cambiamenti.
3. La discussione sulla diffusione alla Rutherford è trattata nel capitolo 26 sui campi elettrici, piuttosto che insieme
al teorema di Gauss come nell’edizione precedente.
4. Nel capitolo 27 (Legge di Gauss) si è estesa la discussione sui legami tra flusso e linee di forza dei campi elettrici; le applicazioni della legge di Gauss alle distribuzioni
di carica continue sono ora trattate prima delle applicazioni
di tale legge ai conduttori.
5. Il capitolo 29 (Proprietà elettriche della materia) è un
nuovo capitolo che comprende la trattazione dei conduttori
e dei dielettrici, contenuta prima nei due capitoli sui condensatori e sulla corrente elettrica. Siamo convinti che questi argomenti possano sussistere autonomamente e che introdurli in questo modo ci permetta di confrontare più
direttamente il comportamento dei conduttori con quello
degli isolanti.
1. A seguito della ristrutturazione del primo volume, in
cui sono stati eliminati due capitoli, quelli del volume 2
sono numerati a partire dal 25, che corrisponde al capitolo
27 dell’edizione precedente.
6. Le ricerche sull’insegnamento della fisica rilevano
evidenti difficoltà per gli studenti nell’afferrare come si
comportino semplici circuiti a corrente continua. Abbiamo
quindi insistito su questo tema, riducendo di pari passo la
trattazione sui circuiti a maglie multiple e sugli strumenti di
misura.
2. Nel calcolo del campo elettrico gli studenti incontrano spesso difficoltà nell’integrare le distribuzioni di carica continue, un procedimento che costituisce sia un’astrazione ideale sia un ostacolo di analisi matematica. Allo
scopo di affrontare per tempo tali difficoltà concettuali introduciamo questa tecnica in relazione alle forze elettriche
piuttosto che ai campi elettrici; per esempio, nel capitolo 25
presentiamo il calcolo della forza esercitata da una distribuzione lineare di carica su una carica puntiforme. Gli studenti infatti dimostrano spesso intuizione fisica più acuta
per le forze che per i campi, ciò che ci consente d’introdurre lo strumento matematico in un contesto più fisico.
Giova poi ripetere il procedimento sia per i campi sia per i
potenziali. Un ragionamento analogo ci ha indotti a presen-
7. In questa edizione affrontiamo le sorgenti di campo
magnetico (capitolo 33) presentando dapprima il campo generato da una singola carica in moto e poi da un elemento
di corrente. Ciò consente una migliore corrispondenza con
il modo in cui è stato introdotto il campo magnetico nel capitolo precedente (parlando di forze agenti su singole cariche in moto prima di quelle agenti su elementi di corrente).
Presentiamo inoltre il procedimento di calcolo diretto del
campo lungo l’asse di un solenoide a partire dalla legge di
Biot-Savart, prima di ripeterlo muovendo dalla legge di
Ampère.
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Prefazione degli autori
8. Il momento di dipolo magnetico è stato posticipato al
capitolo 35 (Proprietà magnetiche della materia). Lo abbiamo fatto per evitare ai discenti un eccessivo accumulo di
argomenti nel capitolo introduttivo del magnetismo e anche
per introdurre il momento dipolare magnetico laddove trova
più diretta applicazione. Abbiamo ristretto un poco in questo
contesto la discussione sul magnetismo atomico e nucleare
per approfondirla dopo aver affrontato i fondamenti della
struttura atomica e lo spin dell’elettrone.
9. Abbiamo riconfigurato i capitoli dal 40 al 43 della
precedente edizione nei nuovi capitoli 38 e 39. Il primo di
questi tratta le equazioni di Maxwell e le loro applicazioni
alle onde elettromagnetiche, materia che prima era compresa nei capitoli 40 e 41. Il nuovo capitolo 39 invece introduce le proprietà delle onde luminose, comprese la riflessione e la rifrazione, argomenti che appartenevano
precedentemente ai capitoli 41, 42 e 43. La formazione di
immagini su specchi piani compare ora nel capitolo successivo (il 40), ove si trova in più naturale compagnia con la
formazione di immagini da parte di specchi e lenti.
10. Nella quarta edizione gli argomenti tratti dalla fisica
moderna erano “sparsi” in tutto il testo, generalmente classificati come facoltativi. In questa edizione continuiamo a
utilizzare esempi tratti dalla fisica moderna, laddove ciò è
appropriato, ma le parti specifiche della fisica moderna sono
state consolidate, in questo volume, nei capitoli dal 45 al
52, dedicati a temi che spaziano dalla fisica quantistica alle
sue applicazioni sugli atomi, sui solidi e sui nuclei. Crediamo fermamente che la relatività e la fisica quantistica
siano parti essenziali di un corso introduttivo a questo livello, ma che miglior giustizia venga fatta a questi argomenti con una presentazione coerente e unificata piuttosto
che con un insieme di esposizioni isolate. Come era già avvenuto nella quarta edizione, seguitiamo a inserire il capitolo sulla relatività ristretta fra i capitoli di meccanica classica nel volume 1, a conferma della nostra ferma
convinzione che la relatività ristretta appartenga proprio a
quei capitoli di cinematica e meccanica che si servono della
fisica classica. I capitoli dal 45 al 48, che trattano la fisica
quantistica e le sue applicazioni in fisica atomica, sono stati
sostanzialmente riscritti. Il capitolo 45 introduce i primi importanti esperimenti che hanno portato alla moderna concezione corpuscolare della radiazione elettromagnetica: l’irraggiamento termico, l’effetto fotoelettrico e la diffusione
Compton. Tuttavia la conferma inequivocabile del dualismo
onda-particella non giunge che con i recenti esperimenti di
scelta differita, che ora trattiamo quindi nel medesimo capitolo 45. Gli aspetti elementari della teoria di Schrödinger
sono affrontati nel capitolo 46 e le più dettagliate applicazioni alle buche di potenziale e all’atomo d’idrogeno sono
trattate nel capitolo seguente. Il capitolo 48, dedicato alla
struttura atomica, è simile al vecchio capitolo 52, con qualche aggiunta di magnetismo atomico.
L’eserciziario che si trova alla fine dei capitoli, in questa
edizione, differisce in modo significativo da quello dell’edi-
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zione passata. Le serie precedenti di problemi (che erano
tutti riferiti ai paragrafi del capitolo) sono state attentamente
completate e presentate in due gruppi: esercizi e problemi.
Gli esercizi, collegati ai paragrafi del testo, rappresentano
generalmente le applicazioni dirette degli argomenti trattati
nel paragrafo di riferimento. Il loro scopo è quello di rendere familiari agli studenti i concetti, le formule importanti,
le unità e le dimensioni, ecc. I problemi, che non sono strettamente collegati ai paragrafi del testo, spesso richiedono
l’uso di concetti esposti nei vari paragrafi o anche nei capitoli precedenti. Alcuni problemi richiedono che lo studente
stimi o ricerchi da solo i dati necessari a risolvere il problema. Nel compilare e raggruppare gli esercizi e i problemi abbiamo eliminato alcuni problemi dell’edizione passata. Come di consueto, sono state fornite le risposte agli
esercizi e problemi di numero dispari.
Abbiamo aggiunto alla fine dei capitoli delle domande
a risposta multipla e dei problemi da risolvere al calcolatore. Le domande a risposta multipla sono di natura generalmente concettuale e spesso richiedono capacità non immediate di penetrazione dell’argomento. I problemi al
calcolatore richiedono familiarità con i programmi di tabulazione numerica e diagrammatura, detti comunemente fogli elettronici, oppure con i programmi di elaborazione algebrica, come Maple o Mathematica.
Gli eserciziari di fine capitolo hanno usufruito del sostanziale apporto di Paul Stanley della Californian Lutheran University. È stata una fortuna aver beneficiato in questo lavoro della sua capacità introspettiva e della sua
creatività.
Ci siamo sforzati di sviluppare un libro di testo che offra un’introduzione alla fisica completa e rigorosa, per
quanto possibile a questo livello. Siamo coscienti del fatto
che pochi insegnanti (forse nessuno) vorranno seguire
l’intero testo dall’inizio alla fine, specialmente nel corso
di un anno. In questo testo ci sono parecchi percorsi alternativi. L’insegnante che desideri trattare meno argomenti
ma in modo più approfondito (la logica del “poco ma
bene”) sarà in grado di selezionarli tra questi percorsi. Alcuni paragrafi e sotto-paragrafi sono esplicitamente classificati come “facoltativi”; saltandoli non si perde continuità. A seconda del tipo di corso, si possono tralasciare o
trattare superficialmente altri paragrafi o persino interi capitoli. Anche così facendo la presentazione completa rimane nel testo, dove lo studente curioso può cercare gli
argomenti omessi ed essere ricompensato con uno
sguardo più ampio sulla materia. Non ci dispiacerebbe
che il testo fosse considerato una specie di “mappa stradale” attraverso la fisica; si possono prendere molte
strade, panoramiche o dirette, ma non occorre percorrerle
tutte al primo viaggio. Il viaggiatore acuto può essere incoraggiato a riconsultare la mappa per esplorare aree trascurate nei viaggi precedenti.
Il testo è pubblicato in due volumi. Il volume 1 tratta la
cinematica, la meccanica e la termologia: il presente volume l’elettromagnetismo, l’ottica e la fisica quantistica
con le sue applicazioni.
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Prefazione degli autori
Abbiamo avuto l’apporto, per questa edizione, dei consigli
di un gruppo specializzato di revisori che hanno offerto, individualmente o collettivamente, commenti e critiche su
quasi tutte le pagine del testo:
Richard Bukrey, Loyola University
Duane Carmony, Purdue University
J. Richard Christman, U. S. Coast Guard Academy
Paul Dixon, California State University-San Bernardino
John Federici, New Jersey Institute of Technology
David Gavenda, University of Texas-Austin
Stuart Gazes, University of Chicago
James Gerhart, University of Washington
John Gruber, San Jose State University
Martin Hackworth, Idaho State University
Jonathan Hall, Pennsylvania State University, Behrend
Oshri Karmon, Diablo Valley College
Jim Napolitano, Rensselaer Polytechnic Institute
Donald Naugle, Texas A&M University
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Douglas Osheroff, Stanford University
Harvey Picker, Trinity College
Anthony Pitucco, Pima Community College
Robert Scherrer, Ohio State University
John Toutonghi, Seattle University
Siamo profondamente riconoscenti a questi studiosi per i
loro sforzi e le intuizioni che hanno fornito agli autori.
Vorremmo anche ringraziare il Physics Education Group
dell’università di Washington per l’aiuto offerto, in particolar modo Paula Heron e Lillian McDermott.
Siamo particolarmente grati ai collaboratori della John
Wiley & Sons per aver garantito un costante supporto a
questo progetto. Vorremmo ringraziare in modo particolare Stuart Johnson per la direzione redazionale del libro e
la dedizione che ha mostrato fino al suo completamento.
Contributi fondamentali alla qualità del testo provengono
dal direttore editoriale Elizabeth Swain, dal redattore delle
fotografie Hilary Newman, dal redattore delle illustrazioni
Anna Melhorn e dal disegnatore Karin Kincheloe. La realizzazione di questo progetto non sarebbe stata possibile
senza l’abilità e gli sforzi di ognuno di loro.
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PREMESSA ALL’EDIZIONE ITALIANA
Q
uasi 10 anni sono occorsi per maturare il rinnovamento e dare alle stampe questa quinta edizione di uno dei
testi di fisica più affermati, che ha contribuito alla formazione scientifica di base di moltissimi studenti di matematica, fisica e ingegneria.
Oggi Fisica 2 di Halliday, Resnick e Krane si trova ad
affrontare la prova della recente riforma italiana degli studi
universitari con rinnovato vigore e alcuni cambiamenti non
secondari nell’impostazione del libro, soprattutto di ordine
didattico.
Pur mantenendo la struttura fondamentale che lo caratterizza da sempre, il testo vede ricollocati, rispetto all’edizione precedente, alcuni argomenti, allo scopo di rendere
più fluido e soprattutto più progressivo il percorso di apprendimento del discente. Anziché insomma affrontare un
tema, svolgerlo ed esaurirlo completamente, anche nei suoi
aspetti più complessi, prima di passare al tema successivo,
gli autori hanno talora adottato una tecnica didatticamente
più morbida: aprono successivamente più temi, ne sviluppano in sequenza gli argomenti limitando la trattazione alle
forme più elementari, e poi ripercorrono il cammino elaborando via via sviluppi sempre più complessi.
Chi sospettasse che una simile impostazione richieda
spesso di ripassare argomenti che in parte sono stati già anticipati, creando così una certa sequenza di sovrapposizioni,
di certo non sbaglierebbe del tutto, ma non va dimenticato
che gli autori sostengono, spesso con piena ragione confermata da solidi risultati di ricerca sui metodi didattici, la validità del repetita iuvant, filosofia che ha sempre contraddistinto il metodo espositivo di questo testo.
Tra tutte le innovazioni che gli autori illustrano in dettaglio nella loro prefazione, è rimarchevole la riformulazione
degli argomenti di fisica moderna e in special modo di meccanica quantistica. La tradizionale linea didattica nella maggior parte dei testi si svolge seguendo un “percorso storico”,
che rende conto dell’evoluzione della fisica nell’ultimo secolo; tale linea viene qui progressivamente abbandonata per
dar forma a un nuovo approccio, in cui a dettare la sequenza
degli argomenti è il loro ordine logico d’esposizione, idoneo a descrivere le attuali conoscenze consolidate, piuttosto
che l’esigenza di “raccontare” lo sviluppo cronologico del
pensiero scientifico. Anche la terminologia – si veda, per
fare un solo esempio, la denominazione dei numeri quantici
– è stata adattata più in ossequio alla logica che alla tradizione, col vantaggio di evitare equivoci ai lettori.
Come al solito gli autori hanno utilizzato la struttura
matematica integrale per descrivere le leggi fisiche, che giu-
stamente si basano su misure di quantità finite. I traduttori
tuttavia hanno inserito un paragrafo (il 38.4) dove si dà spazio alle forme differenziali delle equazioni di Maxwell, che
sono, da un punto di vista logico ed astratto, piu attraenti e
consentono di sviluppare tra i discenti anche le qualità più
strettamente deduttive della fisica.
Proseguendo la tendenza che l’editoria scientifica mostra
da diversi anni non solo in Italia, ma anche in Europa e soprattutto nei paesi anglosassoni, la Casa Editrice Ambrosiana
si prodiga da tempo, anche con spirito d’avanguardia, negli
sforzi per unificare le forme espressive, grafiche e simboliche
del linguaggio scientifico. In questa quinta edizione di Fisica
si è, per così dire, completato il processo di adeguamento
della simbologia e della terminologia alla normativa, che da
qualche anno ha introdotto in campo internazionale e nazionale regole precise per i termini che definiscono le grandezze,
per le unità di misura, i segni e le forme grafiche; citiamo
solo come esempio, senza voler tediare con elenchi, le norme
ISO 31 e 1000, nonché le CNR-UNI 10003.
In questo libro si applicano con rigore tutte le regole dettate dalle norme, anche quelle che hanno incontrato maggiore
resistenza nella pratica e la cui adozione è stata fino ad oggi
rimandata in attesa che venissero lentamente assimilate. Ci
rendiamo conto che cambiare le abitudini radicate – si pensi
alla sostituzione dei termini densità di massa e densità lineare
con massa volumica e massa lineica, oppure all’introduzione
della virgola in luogo del punto come separatore decimale –
richieda altrettanti sforzi non solo da parte dei docenti, che
hanno il loro bagaglio culturale già ben consolidato, ma persino da parte dei discenti, che nel loro cammino formativo
sono già stati investiti da qualche forma espressiva e simbolica difforme da quella che troveranno nel testo; anch’essi infatti provengono da esperienze scolastiche meno attente al rigore formale e soprattutto devono confrontarsi con le
fuorvianti “convenzioni” usate da tutti noi nella vita quotidiana. Dobbiamo rallegrarci in fondo se l’arrivo dell’…euro,
coi suoi cent comunemente preceduti da una virgola, ha proficuamente modificato il nostro modo di scrivere i numeri anche quando facciamo la spesa.
Ci auguriamo dunque che questi sforzi e questa “audacia” possano incontrare il favore di quanti, insegnanti e allievi, siano convinti che parlare una stessa lingua, almeno
sui libri di fisica, può semplificare il lavoro di tutti.
Lanfranco Cicala
Milano, dicembre 2002
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