ISTITUTO STATALE DI ISTRUZIONE SUPERIORE Leonardo Sinisgalli C

ISTITUTO STATALE DI ISTRUZIONE SUPERIORE “Leonardo Sinisgalli” C. da Rotalupo - Senise (PZ) DIDATTICA DELLA FISICA INTRODUZIONE ALLA FISICA – «Di cosa si occupa» ANNO SCOLASTICO 2016 – 2017 Il Docente di Fisica Prof. Ing. Giuseppe SASSONE

Nei tre anni della scuola media la materia «SCIENZE NATURALI» ha trattato gli aspetti fisici, chimici e biologici della terra, dell’universo e delle varie forme di vita, uomo incluso. Nella scuola superiore tutti questi aspetti vengono suddivisi in varie materie : C H I M I C A B I O L O G I A Disciplina che studia gli organismi viventi, ovvero dotati della capacità di compiere uno sviluppo preordinato, di riprodursi e di evolvere. Disciplina che studia le proprietà e le strutture dei costituenti della materia (atomi, molecole, cristalli e altri aggregati) e le loro interazioni reciproche, da cui hanno origine gli stati della materia. Se vuoi ascoltare musica di sottofondo premi F I S I C A Disciplina che studia i fenomeni naturali al fine di descriverli misurandone le proprietà (o grandezze) e stabilendo tra queste relazioni matematiche (leggi). S C I E N Z E D E L R A A T E Disciplina che studia la struttura interna, la morfologia superficiale e l'atmosfera che circonda il pianeta Terra e la sua evoluzione nel tempo. Si occupa dello studio dei pianeti presenti nel nostro sistema solare.

La fisica (dal greco phýsis = natura) è la scienza che : La fisica Studia i fenomeni naturali Parla di grandezze Cerca di trovare delle leggi come la luce o l’energia contenuta nella materia. è una caratteristica di un oggetto o di un fenomeno che può essere misurata. è una regolarità della natura esprimibile mediante formule matematiche. Le leggi fisiche sono universali, cioè non sono valide per un singolo fenomeno, ma sono anzi sempre valide.

Come ogni altra materia scientifica, lo studio dei fenomeni naturali viene effettuato applicando il metodo scientifico o sperimentale galileiano, porta alla formulazione di principi o teorie basate su prove e sperimentazioni sperimentali. Metodo scientifico o sperimentale I principi Le teorie sono le leggi scientifiche, ampiamente dimostrate sperimentalmente, che spiegano i fenomeni naturali. I limiti di applicabilità dipendono dalle limitazioni strumentali con la quale sono stati dimostrati. Un principio non è sempre espresso da una formula matematica : è un fatto evidente, mai smentito dall’esperienza. Sono schemi logici unitari, fondati su poche leggi generali, capace di descrivere una gran numero di fatti osservabili.

Uno dei più grandi fisici è stato ALBERT EINSTEIN. Esso è l’autore della teoria della relatività, secondo la quale la massa è energia. Ciò significa che ogni pezzo di materia (per esempio un granello di sabbia, un pezzo di legno, un bicchiere d’acqua) equivale a una certa quantità di energia. La relazione tra massa e energia è espressa dalla legge : E = energia m = massa c = velocità della luce (nel vuoto) Tradotta in altre parole, la formula dice che l’energia contenuta in un corpo di massa m (ad esempio 1 kg) è uguale al prodotto di questa massa per il quadrato della velocità della luce (300. 000 km/s x 300. 000 km/s). DA QUESTO ESEMPIO POSSIAMO FARCI UNA PRIMA IDEA DI COSA E’ LA FISICA

Il metodo scientifico si divide in quattro stadi : Osservazione del fenomeno Individuazione di un problema NO Formulazione di una ipotesi Sperimentazione sul fenomeno L’ipotesi è verificata? SI VIDEO METODO SCIENTIFICO Formulazione di una legge scientifica (teoria) GALILEO GALILEI

Fisica moderna : Fisica classica : La fisica si può distinguere in due segmenti : Ø L’antichità classica ha avuto una sua fisica, nella civiltà greca classica e soprattutto nel periodo ellenistico. Si sviluppano diverse discipline (meccanica, idraulica, ottica, astronomia…) che hanno i caratteri di vere teorie scientifiche e generano tecnologie. Segue un arretramento scientifico dovuto alla civiltà romana. Ø Dal XII al XVI secolo vi è un risveglio per influenza della cultura araba, con la nascita delle università, con il rinascimento: vi sono intuizioni brillanti, nuove conoscenze, ritrovati tecnici ma senza che vi sia una vera e sistematica scienza fisica. Ø Dal 1600 al 1900 si sviluppa quella che oggi chiamiamo fisica classica. Essa comprende la meccanica (del punto, dei sistemi, dei corpi estesi), la teoria della gravitazione, l’elettromagnetismo e la termodinamica. Ø Nel 1905 la relatività speciale riformula e completa il quadro della fisica classica (il tempo e lo spazio vengono trattati allo stesso modo) Le teorie e i principi della fisica clasica spiegano bene feneomeni come la gravità, l’elettromagnetismo, la termodinamica, l’ottica, l’acustica, ecc. Ø Nel XX secolo avvengono due “terremoti” culturali: • La teoria della relatività generale formula un teoria geometrica del campo gravitazionale. La geometria dello spazio è modificata dalla presenza di masse (A. Einstein). • La fisica quantistica nasce da alcune osservazioni sperimentali fatte nei primi anni del XX secolo. La fisica classica non funziona nel mondo microscopico. • Dal 1900 al 1926: viene introdotta la costante di azione nella radiazione termica e l’ipotesi del quanto di energia. Dualità ondacorpuscolo (Planck) • Dal 1926 al 1932: formalizzazione della teoria, ad opera di Schroedinger, Dirac, Heisenberg e Pauli. • Dal 1930 in poi: nascita della fisica molecolare, nucleare e subnucleare, della fisica dello stato solido e della microelettronica. • Oggi: realtà fisica = relatività generale + Modello Standard del microcosmo (teoria quanto-relativistica di campo) Le teorie e i principi della fisica moderna spiegano bene fenomeni quali l’effetto fotoelettrico, l’emissione del corpo nero, la configurazione elettronica degli atomi, le proprietà spettroscopiche degli atomi, le reazioni nucleari, ecc.

La distinzione nell’ambito della fisica v Meccanica : studia le leggi che presiedono al movimento dei corpi e viene suddivisa in: cinematica, che fissa i concetti essenziali per la descrizione del moto; dinamica, che studia le cause (forze) che determinano il movimento; statica, che studia l'equilibrio dei corpi; v Ottica : studia i fenomeni luminosi, cioè quelli relativi al comportamento delle radiazioni che impressionano l'occhio (radiazioni ottiche) o, più in generale, quelli relativi al comportamento di tutte le radiazioni elettromagnetiche; v Acustica : studia i suoni, le loro proprietà e i loro meccanismi di produzione, propagazione, ricezione; v Elettromagnatismo : studia il complesso dei fenomeni relativi all'elettricità e al magnetismo; v Termodinamica : studia i fenomeni connessi alla generazione, propagazione e assorbimento del calore; della termologia fa parte la termodinamica, che studia le trasformazioni del calore in altre forme di energia; v Meccanica quantistica : studia i sistemi quantizzati, cioè i sistemi in cui le grandezze considerate non possono essere infinitamente piccole, ma sono sempre multiple di una quantità "discreta", o "quanto", non ulteriormente divisibile;

Meccanica statistica : studia le proprietà dei sistemi costituiti da un gran numero di particelle in movimento disordinato, riuscendo a determinarne le configurazioni possibili mediante il calcolo; Fisica atomica : studia le proprietà degli atomi; Fisica nucleare : studia i nuclei atomici e le reazioni in cui sono coinvolti; Fisica delle particelle : studia i costituenti ultimi della materia, quali elettroni, neutroni, protoni, mesoni, quark; Relatività speciale : studia il complesso dei fenomeni che avvengono quando i corpi si muovono con velocità prossime a quella della luce; nell'ambito di questa teoria è formulato il principio di equivalenza fra massa ed energia, che consente, fra l'altro, di spiegare l'origine dell'energia generata dalle reazioni di fusione e di fissione nucleare; Relatività generale : costituisce la teoria più generale della gravitazione; Fisica dello stato solido : studia le proprietà fisiche dei solidi (per esempio, quelle elettriche, dielettriche, elastiche, termiche), con particolare attenzione alle proprietà comuni a grandi insiemi di sostanze; costituisce una base fondamentale per lo sviluppo dell'elettronica (per esempio, con il suo studio dei semiconduttori); Astrofisica : studia il cosmo e di tutto ciò che lo comprende; Fisica sanitaria : studia i fenomeni fisici legati alla medicina e agli esseri viventi; Geofisica : studia i fenomeni fisici legati alla geologia;

Come si è visto la fisica è una scienza poiché applica il metodo scientifico e naturale perché studia i processi e fenomeni naturali. Gli elementi fondamentali che caratterizzano la natura sono l’energia e la materia. v «L’energia» è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto (si presenta sotto varie forme); v Per «la materia» si deve partire dagli elementi di base di un qualsiasi corpo : Atomi : L’atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell’elemento stesso. E’ formato da elettroni che si muovono intorno ad un nucleo composto da protoni e neutroni. Ha dimensione estremamente ridotta : il diametro è di circa decimillesimo di millionesimo di metro (10 -10 m) e la massa è si circa centomillesimo di miliardesimo di grammo (10 -23 g); Molecola : La molecola è la più piccola unità chimica di una sostanza (elemento o composto) che, conservano le caratteristiche chimiche della sostanza stessa. Gli atomi aggregandosi, formano le molecole, quindi possiamo a ragione dire che gli atomi e molecole compongono tutti gli oggetti solidi, liquidi e gassosi presenti in natura sul nostro pianeta.

L’insieme delle molecole costituiscono la materia, si indica genericamente qualsiasi cosa che abbia massa e che occupi spazio; oppure, alternativamente, la sostanza di cui gli oggetti fisici sono composti. Materia : Questa definizione, sufficiente per la fisica macroscopica, oggetto di studio della meccanica e della termodinamica, non si adatta bene alle moderne teorie nel campo microscopico, proprie della fisica atomica e subatomica. La materia si può presentare in natura con tre diversi stati di aggregazione : VIDEO STATI DI AGGREGAZIONE

I corpi materiali non sono presenti in un unico stato di aggregazione, ma in tutti e tre gli stati menzionati. Variando la temperatura a pressione costante e/o la pressione a temperatura VIDEO PASSAGGI DI STATO costante si hanno i seguenti passaggi di stato :

La fisica studia le trasformazioni fisiche subisce la materia, cioè tutte quelle trasformazioni che non comportano uno sconvolgimento radicale della struttura molecolare della materia stessa. FACCIAMO DEGLI ESEMPI Ø La combustione del metano (CH 4) e dell’ossigeno (O 2) porta alla formazione di biossido di carbonio (CO 2) e acqua (H 2 O) : CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O questa è una trasformazione chimica poiché comporta uno sconvolgimento radicale della struttura molecolare della materia. Ø La trasformazione fisica è il passaggio di stato dal ghiaccio d’acqua (H 2 O) all’acqua liquida (H 2 O) : H 2 O questa è una trasformazione fisica poiché non comporta uno sconvolgimento radicale della struttura molecolare della materia H 2 O è infatti la composizione molecolare sia del ghiaccio d’acqua che dell’acqua liquida.

Si passa a definire la grandezza fisica : Grandezza Matematica Fisica Un numero che identifica un valore astratto Una grandezza fisica è una caratteristica di un oggetto o di un fenomeno che può essere misurata. Per essere identificata necessita Valore numerico Valore matematico Valore numerico Unità di misura Grandezza scalare

Le grandezze fisiche si definiscono anche omogenee e non omogenee Grandezza fisica Omogenea Non omogenea Prese due (o più) grandezze diremo che sono omogenee se possono essere espresse con la stessa unità di misura. Prese due (o più) grandezze diremo che non sono omogenee se non possono essere espresse con la stessa unità di misura. Ad esempio la lunghezza di un segmento ed il perimetro di una figura piana sono due grandezze omogenee, perché le possiamo esprimere entrambi in metri. Ad esempio la massa di una palla da bowling e la velocità di un’automobile sono grandezze non omogenee, in quanto la prima si esprime in chilogrammi mentre l’altra in metri al secondo.

Per definire operativamente una grandezza fisica bisogna stabilire : Grandezza fisica Procedimento di misura Scegliere un campione come unità di misura E’ quel procedimento che permette di ottenere la descrizione quantitativa di una grandezza fisica cioè il valore numerico del rapporto tra la grandezza incognita e quella scelta come unità di misura. La misura può essere ottenuta sia In modo diretto ovvero per confronto diretto con l’unità di misura ed i suoi multipli o sottomultipi (ad esempio le misure di lunghezza per confronto con il campione metro). VIDEO SULLA FISICA E GRANDEZZE In modo indiretto cioè mediante l’applicazione di leggi fisiche legano la grandezza incongita ad altre misurabili direttamente (per esempio la misura di una velocità si ottiene dalle misure di spazio e tempo, v=s/t)

Le grandezze fisiche possono essere : Grandezza fisica Estensive Intensive Le proprietà fisiche di un materiale o di una sostanza che dipendono dalla dimensione del campione. Le proprietà fisiche di un materiale o di una sostanza che non dipendono dalla dimensione del campione. Esempi di grandezze estensive lunghezza, il volume, la massa. sono la Esempi di grandezze intensive la temperatura, la densità, la pressione. Le grandezze estensive si dicono additive perché sono quantità che si possono sommare. Esse non sono grandezze additive perché non si possono sommare. Esempio, su una bilancia, ad un corpo di un chilogrammo aggiungiamo un altro corpo di un chilogrammo, la massa finale dei due corpi sarà di due chilogrammi. Esempio, se si mescolano due liquidi che hanno la stessa temperatura, la temperatura finale sarà sempre la stessa e non il doppio.

Per realizzare tutto ciò in fisica necessita organizzare un sistema di misura Come prima cosa bisogna definire cosa si intende per misura : Molte grandezze hanno un’altra importante proprietà : sono misurabili. Misurabile significa che una grandezza ha una misura. Ma che cos’è la misura? Se vogliamo misurare una grandezza dobbiamo introdurre un’altra grandezza, omogenea alla prima, la quale viene considerata come unità di misura. Il numero di volte che quest’ultima è contenuta nella prima si dice misura della grandezza. Definizione : Si dice misura di una grandezza il numero di volte che un’altra grandezza, omogenea alla prima e presa come unità di misura, è contenuta in essa.

Il sistema internazionale di unità di misura (S. I. ) Nel corso dei secoli, già a partire dall’antichità, si sono succeduti innumerevoli sistemi di misura, molte volte imposti dalle potenze dominanti su tutto il territorio controllato. Tali sistemi differivano da luogo, il che rendeva difficoltose tutte le attività umane che riguardassero scambi di beni. Per questo motivo la realizzazione di un sistema di misura comune, che potesse facilitare gli scambi commerciali e in genere tutta l’attività umana, è sempre stata avvertita la necessità, soprattutto con l’ampliarsi delle relazioni commerciali a livello planetario. Dopo la XI conferenza di pesi e misure svoltasi a Parigi nel 1960 è stato introdotto un sistema, oggi adottato quasi universalmente, chiamato «Sistema Internazionale di Unità» basato sul sistema metrico decimale, ottenuto in base al numero delle dita delle mani. L’italia l’ha fatto proprio con un decreto del Presidente della Repubblica, trasformato in legge, del 3/11/1982. Il Sistema Internazionale distingue per convenzione due tipi di grandezze : quelle fondamentali, a partire dalle quali si possono costruire e derivare tutte le altre. Hanno la peculiarità che le loro unità di misura possono essere scelte tutte in maniera indipendente l'una dall'altra, e quelle derivate che si possono derivare, tramite opportune formule matematiche, dalle grandezze fisiche fondamentali. Anche le loro unità di misura non possono essere scelte in maniera indipendente, ma devono essere derivate in maniera consistente dalle unità di misura delle grandezze fondamentali.

Le grandezze fisiche fondamentali Grandezza Unità di misura Simbolo Descrizione LUNGHEZZA m Un metro è lo spazio percorso dalla luce nel vuoto in un tempo uguale a 1/299792458 secondi. MASSA Kg Un chilogrammo è la massa del peso campione composto da un cilindro di platino iridio. s Un secondo è il tempo corrispondente a 9192631770 periodi relativi alla radiazione elettromagnetica emessa dagli elettroni dell’isotopo cesio-133, quando questi si rilassano passando da due livelli iperfini allo stato stazionario. °K Un grado Kelvin corrisponde alla frazione di 1/273, 15 della temperatura del punto triplo dell’acqua. Temperatura (0, 01 °C e 4, 48 mm. Hq di pressione) alla quale essa esiste in tutti i suoi stati di aggregazione. mol Una mole è la quantità di materia con una composizione definita e nota (atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc. ) che corrisponde al numero di atomi presenti in 0, , 012 kg di isotopo di carbonio-12 A Un ampere è l’intensità di corrente elettrica che, se applicata in modo costante in due conduttori elettrici paralleli, di sezione trascurabile, posti alla distanza di un metro uno dall’altro, produce una forza tra due conduttori di 2*107 N (Newton) per ogni metro di lunghezza. cd Una candela è l’intensità luminosa prodotta da una radiazione monocromatica avente una lunghezza d’onda pari a 5, 556*10 -7 m avente un’intensità energetica pari a 1/683 W/sr (watt/steradiante). TEMPO TEMPERATURA QUANTITA’ DI SOSTANZA INTENSITA’ DI CORRENTE INTENSITA’ LUMINOSA