Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
vuoi
o PayPal
tutte le volte che vuoi
Presentazione
Questo ebook di fisica su elettromagnetismo, relatività e quanti fa parte di una collana di ebook con licenza Creative Commons BY-SA per la scuola. Il titolo Fisica C3 vuole indicare che il progetto è stato realizzato in modalità Collaborativa e con licenza Creative Commons, da cui le tre "C" del titolo. Non vuole essere un trattato completo sull'argomento ma una sintesi sulla quale l'insegnante può basare la sua lezione, indicando poi testi e altre fonti per gli approfondimenti. Lo studente può consultarlo come riferimento essenziale da cui partire per approfondire. In sostanza l'idea è stata quella di indicare il nocciolo essenziale della disciplina, nocciolo largamente condiviso dagli insegnanti. La licenza Creative Commons scelta permette non solo di fruire liberamente l'ebook ma anche di modificarlo e personalizzarlo secondo le esigenze dell'insegnante e della classe. Chiunque può contribuire a migliore questo ebook, segnalando integrazioni, modifiche e sviste al coordinatore del progetto . Il libro è pensato per lo studio della fisica del quinto anno del liceo.
INDICE
Presentazione 3
- CAMPO MAGNETICO 7
- Sorgenti del campo magnetico 7
- Azione del campo magnetico su una carica in movimento .8
- Moto di una carica in un campo magnetico .10
- Azione del campo magnetico su un filo percorso da corrente 12
- Interazione tra fili percorsi da corrente 13
- Rotazione di una spira in un campo magnetico 14
- Campi magnetici generati da correnti e legge di Biot Savart 16
- Teorema della circuitazione di Ampère 19
- Teorema di Gauss per il magnetismo 21
- Magnetismo nella materia .23
- Approfondimenti .27
- INDUZIONE ELETTROMAGNETICA28
- Aspetti qualitativi dell'induzione elettromagnetica 28
- Legge di Faraday - Neumann e legge di Lenz 30
- Origine della f.e.m. indotta e f.e.m. cinetica 32
- Induttanza 35
- Autoinduzione e circuito RL 37
- Energia del campo magnetico 40
- Corrente alternata 42
- Produzione di una f.e.m. e di una corrente alternata 42
- Diagramma a fasori 43
- Circuito puramente resistivo 44
- I valori efficaci 46
- Circuito puramente capacitivo 47
- Circuito puramente induttivo 48
- Circuito RLC in serie 49
- Mutua induzione e trasformatori 53
- Approfondimenti 55
- ONDE ELETTROMAGNETICHE ED EQUAZIONI DI MAXWEL 56
- Campo magnetico variabile nel tempo 56
- Campo elettrico variabile nel tempo 57
- Equazioni di Maxwell 59
- Circuito LC 60
- Onde elettromagnetiche 63
- Approfondimenti 69
- RELATIVITà 70
- Inconciliabilità tra la teoria elettromagnetica di Maxwell e la legge di composizione classica delle velocità 70
- Teoria dell'etere ed esperimento di Michelson - Morley 70
- Le trasformazioni di Lorentz 73
- I postulati della relatività ristretta 74
- Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze 75
- Relatività della simultaneità 78
- Lo spazio-tempo e la relazione causa-effetto tra due eventi 80
- Composizione relativistica delle velocità 83
- Massa ed energia relativistica 84
- Relatività generale 87
- Primo caso 88
- Secondo caso 89
- Lo spazio-tempo nella relatività generale 89
- Gravità, luce e tempo 93
- Approfondimenti
- FISICA QUANTISTICA 96
- Origine della Fisica dei quanti 96
- La radiazione di corpo nero 96
- Effetto fotoelettrico 102
- Effetto Compton107
- Dualismo onda-corpuscolo 109
- Il principio di indeterminazione di Heisenberg e la funzione
d'onda 111 - Modello atomico di Bohr e spettri di emissione a righe dei gas113
- Modello quantistico dell'atomo di idrogeno 117
- Atomi con molti elettroni 120
- Approfondimenti 122
- FISICA NUCLEARE, RADIOATTIVITà, PARTICELLE ELEMENTARI 123
- Il nucleo dell'atomo 123
- Radioattività 124
- Fissione e fusione nucleare 127
- Le forze fondamentali della natura 129
- Particelle elementari129
- I quark 134
- Modello standard 136
- Approfondimenti 138
- Indice delle immagini Creative Commons utilizzate 139
Fisica C3
Magnetismo, Relatività, Quantistica, Radioattività
Autori
Prima stesura: Massimo Macchioro
Revisione e integrazioni: Annarita Lorenzo
Coordinamento editoriale: Antonio Bernardo
Immagini realizzate da Ginger Lab - www.gingerlab.it
© Skuola.Net - Gennaio 2013
ISBN 978-88-96354-36-0
Progetto Educationalab
Mobility IT srl
Questo libro è rilasciato con licenza
Creative Commons BY-NC-SA
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
Fisica C3
Magnetismo, Relatività, Quantistica, Radioattività
Autori
Prima stesura: Massimo Macchioro
Revisione e integrazioni: Annarita Lorenzo
Coordinamento editoriale: Antonio Bernardo
Immagini realizzate da Ginger Lab - www.gingerlab.it
© Matematicamente.it
www.matematicamente.it - info@matematicamente.it
Gennaio 2013
ISBN 978-88-96354-36-0
Progetto Educationalab
Mobility IT srl
Questo libro è rilasciato con licenza
Creative Commons BY-NC-SA
–
Attribuzione Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/legalcode
versione del 16/03/2013
2
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
Presentazione
Questo ebook fa parte di una collana di ebook con licenza Creative
Commons BY-SA per la scuola. Il titolo Fisica C3 vuole indicare che il
progetto è stato realizzato in modalità Collaborativa e con licenza
Creative Commons, da cui le tre “C” del titolo. Non vuole essere un
trattato completo sull’argomento ma una sintesi sulla quale l’insegnante
può basare la sua lezione, indicando poi testi e altre fonti per gli
approfondimenti. Lo studente può consultarlo come riferimento
In sostanza l’idea è stata
essenziale da cui partire per approfondire.
quella di indicare il nocciolo essenziale della disciplina, nocciolo
largamente condiviso dagli insegnanti. La licenza Creative Commons
scelta permette non solo di fruire liberamente l’ebook ma anche di
e personalizzarlo secondo le esigenze dell’insegnante e
modificarlo
della classe. Chiunque può contribuire a migliore questo ebook,
segnalando integrazioni, modifiche e sviste al coordinatore del progetto
antoniobernardo@matematicamente.it.
3
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
INDICE
Presentazione .......................................................................................... 3
1. CAMPO MAGNETICO ..................................................................... 7
1.1 Sorgenti del campo magnetico ...................................................... 7
1.2 Azione del campo magnetico su una carica in movimento........... 8
1.3 Moto di una carica in un campo magnetico ................................ 10
1.4 Azione del campo magnetico su un filo percorso da corrente .... 12
1.5 Interazione tra fili percorsi da corrente ....................................... 13
1.6 Rotazione di una spira in un campo magnetico .......................... 14
1.7 Campi magnetici generati da correnti e legge di Biot Savart ..... 16
1.8 Teorema della circuitazione di Ampère ...................................... 19
1.9 Teorema di Gauss per il magnetismo.......................................... 21
1.10 Magnetismo nella materia ......................................................... 23
Approfondimenti ............................................................................... 27
2. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA .......................................... 28
2.1 Aspetti qualitativi dell’induzione elettromagnetica .................... 28
2.2 Legge di Faraday - Neumann e legge di Lenz ............................ 30
2.3 Origine della f.e.m. indotta e f.e.m. cinetica ............................... 32
2.4 Induttanza .................................................................................... 35
2.5 Autoinduzione e circuito RL ....................................................... 37
2.6 Energia del campo magnetico ..................................................... 40
2.7 Corrente alternata ........................................................................ 42
Produzione di una f.e.m. e di una corrente alternata .................... 42
Diagramma a fasori ....................................................................... 43
Circuito puramente resistivo ......................................................... 44
I valori efficaci .............................................................................. 46
Circuito puramente capacitivo ...................................................... 47
Circuito puramente induttivo ........................................................ 48
Circuito RLC in serie .................................................................... 49
2.8 Mutua induzione e trasformatori ................................................. 53
Approfondimenti ............................................................................... 55
3. ONDE ELETTROMAGNETICHE ED EQUAZIONI DI
MAXWELL .......................................................................................... 56
3.1 Campo magnetico variabile nel tempo ....................................... 56
3.2 Campo elettrico variabile nel tempo ........................................... 57
3.3 Equazioni di Maxwell ................................................................. 59
4
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
3.4 Circuito LC ................................................................................. 60
3.5 Onde elettromagnetiche .............................................................. 63
Approfondimenti ............................................................................... 69
4. RELATIVITÀ ................................................................................... 70
4.1 Inconciliabilità tra la teoria elettromagnetica di Maxwell e la
legge di composizione classica delle velocità ................................... 70
4.2 Teoria dell’etere ed esperimento di Michelson - Morley ............ 70
4.3 Le trasformazioni di Lorentz ...................................................... 73
4.4 I postulati della relatività ristretta ............................................... 74
4.5 Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze .................. 75
4.6 Relatività della simultaneità ........................................................ 78
4.7 Lo spazio-tempo e la relazione causa-effetto tra due eventi ....... 80
4.8 Composizione relativistica delle velocità ................................... 83
4.9 Massa ed energia relativistica ..................................................... 84
4.10 Relatività generale .................................................................... 87
Primo caso ..................................................................................... 88
Secondo caso ................................................................................. 89
4.11 Lo spazio-tempo nella relatività generale ................................. 89
4.12 Gravità, luce e tempo ................................................................ 93
Approfondimenti ............................................................................... 95
5. FISICA QUANTISTICA .................................................................. 96
5.1 Origine della Fisica dei quanti .................................................... 96
5.2 La radiazione di corpo nero ........................................................ 96
5.3 Effetto fotoelettrico ................................................................... 102
5.4 Effetto Compton........................................................................ 107
5.5 Dualismo onda-corpuscolo ....................................................... 109
5.6 Il principio di indeterminazione di Heisenberg e la funzione
d’onda ............................................................................................. 111
5.7 Modello atomico di Bohr e spettri di emissione a righe dei gas113
5.8 Modello quantistico dell’atomo di idrogeno ............................. 117
5.9 Atomi con molti elettroni .......................................................... 120
Approfondimenti ............................................................................. 122
6. FISICA NUCLEARE, RADIOATTIVITÀ, PARTICELLE
ELEMENTARI ................................................................................... 123
dell’atomo
6.1 Il nucleo .................................................................. 123
6.2 Radioattività .............................................................................. 124
5
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
6.3 Fissione e fusione nucleare ....................................................... 127
6.4 Le forze fondamentali della natura ........................................... 129
6.5 Particelle elementari.................................................................. 129
6.6 I quark ....................................................................................... 134
6.7 Modello standard ...................................................................... 136
Approfondimenti ............................................................................. 138
Indice delle immagini Creative Commons utilizzate ...................... 139
6
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
1. CAMPO MAGNETICO
1.1 Sorgenti del campo magnetico
Fin dall’antichità è nota la proprietà della magnetite (un particolare
ossido del ferro) di attirare il ferro.
Una sbarretta cilindrica di magnetite costituisce un esempio di magnete
permanente, cioè di un corpo che possiede naturalmente la proprietà di
interagire col ferro o con altri corpi magnetizzati.
Un magnete permanente è caratterizzato dalla presenza di due poli, nord
(N) e sud (S): avvicinando polarità di segno uguale (N - N o S - S) due
magneti si respingono, mentre avvicinando polarità di segno opposto (N
- S) i magneti si attraggono.
I poli magnetici sono indivisibili, infatti spezzando il magnete in due
parti non si riescono a separare i poli, bensì si ottengono due magneti
più piccoli, entrambi caratterizzati dalla presenza delle polarità N - S.
Per giustificare l’interazione magnete-ferro e magnete-magnete, si
introduce il concetto di campo magnetico, come la modifica delle
proprietà dello spazio causata dalla presenza di un magnete permanente.
Per esplorare il campo magnetico, si può fare ricorso a un semplice
dispositivo, detto ago magnetico, il quale è costituito da una lamina
di ruotare attorno a un perno. Quando l’ago è
magnetizzata libera
immerso in un campo magnetico, esso è soggetto a una coppia di forze
che lo fa ruotare finché il suo polo nord non punterà verso il sud del
magnete sorgente, disponendosi tangenzialmente alla linea del campo
passante per quel punto.
Il più comune esempio di ago magnetico è quello della bussola, che si
orienta secondo il campo magnetico terrestre (anche la Terra è un
esempio di magnete permanente): il nord della bussola punta verso il
nord geografico, nelle cui vicinanze è situato il sud magnetico.
Riguardo alle linee di campo generate da magneti permanenti, si nota
che esse sono linee chiuse uscenti dal polo nord ed entranti nel polo
sud; esse sono più fitte in prossimità dei poli e più diradate
lateralmente, dimostrando che il campo è più intenso in prossimità dei
poli. 7
Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti
Linee del campo magnetico di una sbarretta cilindrica magnetizzata.
Si noti il verso delle linee, uscenti dal polo nord ed entranti nel polo
sud, e la maggiore densità di linee in prossimità dei poli.
Nel 1821 il fisico danese Oersted scoprì accidentalmente un fenomeno
destinato a cambiare radicalmente le conoscenze dell’epoca
sull’elettricità e sul magnetismo: egli notò che avvicinando a una
da corrente, l’ago della bussola viene deviato
bussola un filo percorso
dalla sua posizione, dimostrando che anche le cariche in movimento
generano un campo magnetico.
Inoltre è stato verificato che una carica in movimento, purché in
subisce l’azione di una
direzione non parallela alle linee del campo,
forza che ne modifica la traiettoria.
Pertanto possiamo definire più in generale il campo magnetico come la
modifica delle proprietà dello spazio causata dalla presenza di magneti
permanenti o cariche in movimento, la cui azione si manifesta su altri
corpi magnetizzati o su altre cariche in movimento.
Il campo magnetico è una grandezza vettoriale e si indica col simbolo
.
1.2 Azione del campo magnetico su una carica in movimento