Richard Wolfson
FISICA 1 - Meccanica, termodinamica e onde
Edizione italiana a cura della Prof.ssa Mirella Enriotti
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2008 Pearson Paravia Bruno Mondadori S.p.A.
Authorized translation from the English language edition, entitled ESSENTIAL UNIVERSITY PHYSICS VOLUME 1, 1ST Edition, by WOLFSON, RICHARD, published by Pearson Education, Inc, publishing as Addison-Wesley, Copyright # 2007.
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[email protected] e sito web www.aidro.org. Curatore per l’edizione italiana: Mirella Enriotti Traduzione: Fabio Bruni (Capitoli 1, 8-12, 15-19), Mirella Enriotti (Capitoli 2-7, 13-14, appendici) Copy-editing: Studio Redazionale C.M. Impaginazione: M.T.M. s.n.c. Fotocomposizione Grafica di copertina: Nicolo` Cannizzaro Stampa: La Fotocromo Emiliana - Osteria Grande (BO)
Tutti i marchi citati nel testo sono di proprieta` dei loro detentori. 978-88-7192-429-8
Printed in Italy a
1 edizione: aprile 2008
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Indice generale VOLUME 1 Capitolo 1
Fare fisica 1
PARTE PRIMA
Meccanica
13
Moto rettilineo 15 Moto in due e in tre dimensioni 33 Forza e moto 53 Applicazioni delle leggi di Newton 73 Lavoro, energia e potenza 93 Capitolo 6 Capitolo 7 Conservazione dell’energia 111 La gravitazione 131 Capitolo 8 Capitolo 9 Sistemi di punti materiali 147 Capitolo 10 Moto rotatorio 173 Capitolo 11 Descrizione vettoriale del moto rotatorio e il momento angolare 195 Capitolo 12 Equilibrio statico 209 Capitolo 2 Capitolo 3 Capitolo 4 Capitolo 5
PARTE QUINTA
Ottica
605
Capitolo 30 Riflessione e rifrazione 607 Capitolo 31 Strumenti ottici e formazione di immagini 621 Capitolo 32 Interferenza e diffrazione 645
PARTE SESTA
Fisica moderna
PARTE SECONDA
Oscillazioni, onde e fluidi
227
Capitolo 13 Moto oscillatorio 229 Capitolo 14 Moto ondulatorio 251 Capitolo 15 Dinamica dei fluidi 277
PARTE TERZA
Termodinamica
Capitolo 22 Potenziale elettrostatico 423 Capitolo 23 Energia elettrostatica e condensatori 443 Capitolo 24 Corrente elettrica 459 Capitolo 25 Circuiti elettrici 477 Capitolo 26 Magnetismo: forza e campo 499 Capitolo 27 Induzione elettromagnetica 531 Capitolo 28 Circuiti in corrente alternata 559 Capitolo 29 Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche 579
Capitolo 33 Capitolo 34 Capitolo 35 Capitolo 36 Capitolo 37 Capitolo 38 Capitolo 39
671
Relativita` 673 Onde e particelle 701 Meccanica quantistica 723 Fisica atomica 741 Molecole e solidi 761 Fisica nucleare 781 Dai quark al cosmo 811
299
Capitolo 16 Temperatura e calore 301 Capitolo 17 Il comportamento termodinamico della materia 321 Capitolo 18 Calore, lavoro e la prima legge della termodinamica 337 Capitolo 19 La seconda legge della termodinamica 357
APPENDICI Appendice A Matematica
A-1
Appendice B Il Sistema Internazionale di Unita` di Misura (SI) A-9 Appendice C Fattori di conversione Appendice D Gli elementi
VOLUME 2
Appendice E
PARTE QUARTA
Elettromagnetismo
379
Capitolo 20 Carica, forza elettrica e campo elettrico 381 Capitolo 21 Legge di Gauss 401
A-13
Alcuni dati sul sistema solare
Risposte agli esercizi e ai problemi con numero dispari A-17 Crediti
A-11
C-1
Indice analitico
I-1
A-16
L’autore
Richard Wolfson Richard Wolfson e` professore di Fisica presso il Middlebury College, dove insegna dal 1976. Si e` laureato al MIT, ha conseguito un Master all’Universita` del Michigan e il dottorato di ricerca a Dartmouth. Per non interrompere la sua attivita` di ricerca sulla corona del Sole e sul cambiamento climatico ha trascorso i suoi periodi di congedo sabbatico presso il Centro Nazionale di ricerche sull’atmosfera, a Boulder (Colorado); presso l’Universita` St. Andrews in Scozia; e presso l’Universita` di Stanford (California). Wolfson e` un docente impegnato e appassionato. Il suo impegno didattico si riflette nelle numerose pubblicazioni per studenti e per il pubblico colto, fra cui la serie di video Einstein’s Relativity and the Quantum Revolution: Modern Physics for Nonscientists (The Teaching Company, 1999) e Physics in Your Li fe (The Teaching Company, 2004); nei libri Nuclear Choices: A Citizen’s Guide to Nuclear Technology (MIT Press, 1993), Simply Einstein: Relativity Demy stified (W.W. Norton, 2003), e Energy, Environment, and Climate (W.W. Norton, 2007); e in articoli per Scientific American e World Book Encyclopedia . Oltre alle sue attivita` di ricerca e di insegnamento, Richard Wolfson pratica l’escursionismo, lo sport della canoa, il giardinaggio, la cucina e la pittura ad acquarello.
Prefazione per il docente I testi introduttivi di fisica sono divenuti col tempo piu` estesi, piu` voluminosi, piu` enciclopedici, piu` colorati e piu` costosi. Essential University Physics vuole contrastare questa tendenza – senza sacrificare i contenuti, l’approccio pedagogico o il rigore. Il testo si avvale dell’esperienza trentennale di insegnamento dell’autore, che si sforza innanzitutto di affrontare le difficolta` incontrate dagli studenti e prevenirne i fraintendimenti, e incoraggia i momenti di ‘‘ora e` chiaro!’’ che seguono la comprensione dei nuovi concetti. La nuova edizione e` basata su varie edizioni di un testo precedente di buon livello matematico e sui suggerimenti di centinaia di docenti e studenti.
Scopo di questo libro La fisica e` la scienza fondamentale, a un tempo affascinante, stimolante e sottile – eppure semplice perche´ basata su pochi principi primi che governano l’intero universo. Il mio scopo e` di inculcare il senso fisico a studenti che si accostano a varie discipline accademiche e necessitano di un corso rigoroso e di buon livello matematico – siano essi futuri ingegneri, fisici, medici, biologi, chimici, geologi, matematici, informatici. Nei corsi che ho tenuto ho avuto tutte queste categorie di studenti e la mia massima soddisfazione come docente e` che la scelta del mio corso corrisponda semplicemente al desiderio di apprendere le idee della fisica. Piu` precisamente, i miei obiettivi sono i seguenti. n
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Aiutare gli studenti a formare le capacita` analitiche e di calcolo e la necessaria confidenza per applicare la fisica alla risoluzione di problemi di scienza e di ingegneria. Affrontare i piu` comuni fraintendimenti per aiutare gli studenti a formarsi una solida base concettuale. Aiutare gli studenti a vedere la rilevanza della fisica che stanno studiando in un gran numero di applicazioni attuali nelle altre scienze, nella tecnologia e nella vita quotidiana. Aiutare gli studenti a sviluppare una comprensione dell’universo fisico al suo livello piu` fondamentale. Attrarre gli studenti con uno stile informale, come quello di una conversazione, bilanciando la precisione di linguaggio con l’accessibilita`.
Innovazioni nell’approccio pedagogico Il libro e` conciso, ma e` anche progressista, utilizzando le tecniche della moderna ricerca pedagogica, ed e` strategico nel suo approccio didattico. Nel Capitolo 1 viene introdotta la strategia IDEA per la risoluzione dei problemi, e tutti i successivi esempi svolti utilizzano questa strategia. IDEA e` un acronimo per Com prensione, Impostazione, Calcolo, Controllo (in inglese: Identify, Develop, Evaluate, Assess): non si tratta di un ‘‘ricettario’’, ossia un metodo per trovare il risultato senza riflettere, ma piuttosto un sistema per organizzare il modo di pensare degli studenti e scoraggiarli dall’applicare ciecamente le equazioni. All’inizio occorre interpretare il problema e identificare i concetti chiave della fisica che sono connessi con la domanda; poi occorre impostare un piano per arrivare alla soluzione cercata; quindi eseguire i calcoli matematici necessari; e, alla fine, controllare la soluzione trovata per stabilire se e` plausibile, confrontare l’esempio con altri casi possibili e notare altre conseguenze fisiche. In quasi tutti gli esempi svolti del testo, la fase Impostazione e` accompagnata da un disegno, che, per lo piu`, e` uno schema fatto a mano proprio per incoraggiare lo studente
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Prefazione per il docente
a farsi sempre una rappresentazione della situazione descritta nel problema, come la ricerca pedagogica consiglia. IDEA fornisce un approccio unico per affrontare la risoluzione di un qualsiasi problema di fisica, un approccio che mette in evidenza l’unita` concettuale della fisica e aiuta a contrastare la visione dello studente medio, secondo cui la fisica e` un guazzabuglio di equazioni e concetti scorrelati. Oltre agli esempi svolti con la strategia IDEA, voglio citare altre caratteristiche pedagogiche. n
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Gli inserti Strategia per la risoluzione dei problemi che, seguendo lo schema IDEA, forniscono una guida dettagliata per alcune specifiche classi di pro blemi fisici, che riguardano, per esempio, la seconda legge del moto di Newton, il principio di conservazione dell’energia meccanica, la prima legge della termodinamica, la legge di Gauss o i circuiti a molte maglie. Gli inserti Procedura il cui scopo e` quello di consolidare l’abilita` in alcune procedure essenziali come il calcolo differenziale e integrale, i prodotti vettoriali, la rappresentazione dei diagrammi di corpo libero, la soluzione delle reti lineari con il metodo delle maglie e dei nodi, oppure la determinazione dell’immagine di un oggetto mediante i cosiddetti raggi principali.
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Gli inserti Verifica che forniscono allo studente una verifica rapida della pro pria comprensione di nuovi concetti. Per lo piu` si presentano sotto forma di domande a risposta multipla oppure chiedono di disporre in ordine crescente o decrescente un certo numero di risposte numeriche: in questo modo gli studenti possono subito individuare i propri fraintendimenti e inoltre si abituano ad affrontare prove di valutazione intermedie o finali.
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Gli inserti Suggerimento che forniscono allo studente suggerimenti utili per la soluzione dei problemi oppure mettono in guardia contro insidie ed equivoci.
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Gli inserti Introduzione al capitolo , che includono un elenco di Obiettivi, ossia dei concetti e degli argomenti nuovi, che vengono introdotti e affrontati in quel capitolo, e un elenco di Prerequisiti , ossia dei concetti importanti su cui si basa lo svolgimento del capitolo. Entrambi gli elenchi riportano dettagliatamente il numero dei paragrafi a cui si fa riferimento. Gli inserti Applicazione , ossia brevi presentazioni, di non piu` di mezza pagina, completamente autosufficienti, che forniscono la descrizione di esempi attuali e interessanti di fisica della vita di tutti i giorni, come per esempio: la sta bilita` della bicicletta; l’energia immagazzinabile in un volano; la correzione mediante laser di difetti che affliggono l’occhio; gli ultracondensatori; l’energia eolica; la tomografia a risonanza magnetica; il cambiamento climatico glo bale; i generatori di potenza a ciclo combinato; i modelli circuitali della mem brana cellulare; le tecnologie dei CD, DVD e Blu-Ray; e la datazione con il radiocarbonio. Le domande Per riflettere e discutere alla fine di ogni capitolo, progettate per l’apprendimento nello studio di gruppo o individuale allo scopo di rafforzare la comprensione concettuale della fisica. Le Figure con annotazioni che adottano il suggerimento della ricerca educativa di includere semplici commenti nella forma di ‘‘parole del docente’’ per aiutare lo studente a leggere e interpretare l’informazione contenuta nel grafico o nel disegno. I Problemi alla fine del capitolo , che iniziano con semplici esercizi di ripasso degli argomenti introdotti, per poi diventare via via piu` stimolanti e impegnativi; dai primi problemi proposti, che richiedono semplici processi di calcolo si arriva a problemi con molti passaggi che richiedono conoscenze matematiche piu` estese e abilita` di sintesi di tutto il materiale contenuto nel capitolo. Alla fine ci sono alcuni problemi piu` complessi che fanno riferimento a situazioni realistiche.
Prefazione per il docente
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I Riepiloghi alla fine del capitolo, che combinano il testo, la grafica e le equazioni per fornire un quadro d’insieme sintetico del materiale presentato. Ogni riepilogo e` gerarchico: inizia con un ‘‘quadro generale’’, che presenta le idee, poi focalizza i concetti e le formule essenziali, e termina con un elenco di ‘‘Esempi e applicazioni’’ – che rappresentano casi pratici che utilizzano la fisica presentata nel capitolo.
Struttura del libro Questo nuovo testo e` conciso, strategico e progressista ma e` anche tradizionale nella sua struttura. Successivamente al Capitolo 1, che serve da introduzione, il libro e` suddiviso in sei parti. La Parte prima (Capitoli 2-12) sviluppa i concetti fondamentali della meccanica newtoniana, ossia le tre leggi del moto di Newton e i princı`pi di conservazione sia per il singolo punto materiale sia per i sistemi materiali. La Parte seconda (Capitoli 13-15) estende le nozioni di meccanica ai moti oscillatori, alle onde e ai fluidi. La Parte terza (Capitoli 16-19) presenta le leggi della termodinamica. La Parte quarta (Capitoli 20-29) sviluppa la trattazione dei fenomeni elettromagnetici. La Parte quinta (Capitoli 30-32) tratta l’ottica, prima nell’approssimazione dell’ottica geometrica, per passare poi ai fenomeni ondulatori. La Parte sesta (Capitoli 33-39) introduce la relativita` e la fisica quantistica. Ogni parte inizia con una breve discussione dei suoi contenuti, e termina con un riepilogo concettuale e un problema di maggiore difficolta` per sintetizzare le idee esposte nei vari capitoli. Il testo e` pubblicato in due volumi in brossura. Il Volume 1 contiene le prime tre Parti, ossia meccanica, fluidi e termodinamica. Il Volume 2 contiene le successive tre Parti, ossia l’elettromagnetismo, l’ottica e la fisica moderna.
Ringraziamenti Un progetto di questa dimensione non e` certo il lavoro di un unico autore. Innanzitutto e principalmente, io ringrazio per il loro contributo le diverse migliaia di studenti che hanno seguito i mei corsi introduttivi di fisica nel College di Middlebury. Dopo tanti anni di insegnamento ho imparato attraverso le loro domande a presentare le idee fisiche in molti modi diversi, appropriati ai diversi modi di apprendimento. Gli studenti mi hanno aiutato a individuare i ‘‘punti piu` ostici’’ che li mettono alla prova e mi hanno mostrato anche come aiutarli a ‘‘disimparare’’ i fraintendimenti che spesso si portano dietro. Un ringraziamento va anche ai colleghi della mia facolta` e ai numerosi docenti e studenti che, da ogni parte del mondo, hanno contribuito con i loro validi consigli ad apportare utili revisioni al mio precedente testo introduttivo, Phy sics for Scientists and Engineers (Wolfson e Pasachoff, terza edizione: Addison-Wesley, 1999). I loro consigli sono poi stati utilizzati nella stesura di questo nuovo testo. Vari docenti di fisica, con molta esperienza didattica hanno revisionato ogni capitolo di questo libro e i loro commenti hanno contribuito a farmi apportare cambiamenti anche sostanziali nel manoscritto e poi fino alla correzione delle bozze. Qui sotto c’e` l’elenco di tutti i revisori. Ma innanzitutto, sono profondamente riconoscente a sei studiosi che hanno dato un contributo veramente notevole alla qualita`, per non dire all’esistenza stessa, di questo libro. Il primo e` il professor Jay Pasachoff del Williams College, alla cui disponibilita`, piu` di vent’anni fa, a correre il rischio di avere un co-autore inesperto devo la mia attuale posizione di autore. Poi il Dr. Adam Black, Ph.D. in fisica e redattore di fisica alla Addison-Wesley, il quale ha avuto l’intuizione che era necessario pubblicare un nuovo testo introduttivo, che potesse rispondere al coro crescente di proteste contro i testi di fisica divenuti enormi, enciclopedici e costosi. Poi Brad Patterson, il redattore capo, che, essendo laureato in fisica, con la sua competenza e` stato un vero collaboratore per non dire quasi un co-autore. Egli e` responsabi-
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Prefazione per il docente
le di molte caratteristiche innovative del libro ed e` un vero piacere lavorare con lui. Poi Mark Hollabaugh del Normandale Community College e` responsabile della maggior parte dei nuovi problemi piu` complessi che si trovano alla fine di ogni capitolo. Un particolare ringraziamento va a Linda Barton del Rochester Institute of Technology, che con il suo apporto ha reso questo libro quasi esente da errori di stampa. Infatti non solo ha controllato tutti i valori numerici degli esempi svolti, ma ha anche riletto le bozze dell’intera opera con occhio critico e professionale ed e` responsabile di molti miglioramenti sia tipografici sia di contenuto. Ancora ringrazio particolarmente Edw. Ginsberg, dell’Universita` del Massachusetts, con cui ho collaborato fin dalla prima edizione di Physics for Scientists and Engineers . Ginsberg ha sviluppato per questo libro nuovi problemi che richiedono la conoscenza dell’analisi matematica e, piu` importante, mi ha dato validi suggerimenti per l’intera opera nella fase di stesura finale. Infine, ringrazio Martha Steele, Nancy Tabor e Laura Kenney della redazione Addison-Wesley nonche´ Heather Johnson (Elm Street Publishing Services) per la loro professionalita` come curatori di questo libro, garantendo una rapida realizzazione del progetto. E, come sempre, ringrazio la mia famiglia, i miei colleghi, e i miei studenti per la pazienza che hanno mostrato durante tutta la fase di scrittura.
Supplementi Per i docenti che adottano il testo e` disponibile materiale di supporto su CD, comprensivo anche dell’Instructor Solution Manual che contiene le soluzioni di tutti gli esercizi.
Revisori John R. Albright, Purdue University - Calumet Rama Bansil, Boston University Richard Barber, Santa Clara University Linda S. Barton, Rochester Institute of Technology Rasheed Bashirov, Albertson College of Idaho Chris Berven, University of Idaho David Bixler, Angelo State University Ben Bromley, University of Utah Charles Burkhardt, St. Louis Community College Susan Cable, Central Florida Community College George T. Carlson, Jr., West Virginia Institute of Technology - West Virginia University Catherine Check, Rock Valley College Norbert Chencinski, College of Staten Island Carl Covatto, Arizona State University David Donnelly, Texas State University - San Marcos David G. Ellis, University of Toledo Tim Farris, Volunteer State Community College Paula Fekete, Hunter College of The City University of New York Idan Ginsburg, Harvard University James Goff, Pima Community College Mark Hollabaugh, Normandale Community College Rex W. Joyner, Indiana Institute of Technology Nikos Kalogeropoulos, Borough of Manhattan Community College - The City University of New York Kevin T. Kilty, Laramie County Community College Duane Larson, Bevill State Community College Kenneth W. McLaughlin, Loras College Tom Marvin, Southern Oregon University
Prefazione per il docente
Perry S. Mason, Lubbock Christian University Mark Masters, Indiana University - Purdue University Fort Wayne Jonathan Mitschele, Saint Joseph’s College Gregor Novak, United States Air Force Academy Richard Olenick, University of Dallas Robert Philbin, Trinidad State Junior College Russell Poch, Howard Community College Steven Pollock, Colorado University - Boulder James Rabchuk, Western Illinois University George Schmiedeshoff, Occidental College Natalia Semushkina, Shippensburg University of Pennsylvania Anwar Shiekh, Dine College David Slimmer, Lander University Chris Sorensen, Kansas State University Ronald G. Tabak, Youngstown State University Gajendra Tulsian, Daytona Beach Community College Henry Weigel, Arapahoe Community College Arthur W. Wiggins, Oakland Community College Fredy Zypman, Yeshiva University
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Prefazione per lo studente Benvenuto nello studio della fisica! Forse ti sei iscritto a una facolta` scientifica o al politecnico e nel tuo piano di studi e` previsto un semestre o due di fisica. Oppure ti vuoi laureare in medicina e, come sai, in campo medico sta crescendo l’interesse per le applicazioni della fisica in medicina e dovrai affrontare un corso di fisica di buon livello. Forse sei proprio un studente del corso di laurea in fisica. Oppure sei interessato ad approfondire le tue conoscenze fisiche anche se il tuo campo di studi e` la matematica o la chimica o anche altre discipline, come l’economia, le scienze ambientali o la musica. Forse hai gia` avuto un fantastico corso di fisica nelle scuole superiori e desideri approfondire le tue conoscenze, oppure la tua precedente esperienza didattica con la fisica e` stata un disastro e hai paura di affrontare ancora questa materia. Oppure questa e` la tua prima esperienza con la fisica. Per qualunque motivo hai intrapreso un corso universitario introduttivo di fisica, sei il benvenuto! Qualunque siano le tue motivazioni, le mie aspettative sono simili: vorrei aiutarti a sviluppare una buona comprensione dell’universo fisico e insieme un interesse per i fenomeni naturali a un livello profondo e fondamentale; vorrei che ti rendessi conto della gran varieta` di fenomeni naturali e di tecnologie che la fisica puo` spiegare; vorrei aiutarti a rafforzare la tua abilita` analitica per riuscire a risolvere quantitativamente i problemi. Anche se stai studiando fisica solo perche´ e` inclusa nel tuo curriculum, voglio aiutarti ad affrontare l’argomento e a venirne fuori con il giusto apprezzamento per questa scienza fondamentale e per la vastita` delle sue applicazioni. Una delle mie maggiori soddisfazioni come docente di fisica e` quella di sentirmi dire dai miei studenti che, anche se avevano seguito il corso solo perche´ obbligati, alla fine il contatto con le idee della fisica li aveva veramente conquistati. La fisica e` fondamentale. Capire la fisica significa capire come funziona il mondo naturale sia nella vita quotidiana sia su scale di tempo e di spazio cosı` piccole o cosı` grandi che e` difficile riuscire a immaginarle intuitivamente. Per questo motivo spero che troverai affascinante la fisica. Ma ti sembrera` anche stimolante. Per imparare la fisica sarai costretto a un modo di ragionare e a un linguaggio rigoroso; a interpretazioni sottili anche di fenomeni molto comuni; a raggiungere una certa abilita` nell’uso del formalismo matematico. D’altro canto la fisica e` semplice perche´ i princı`pi fondamentali da imparare sono realmente pochi. Questi pochi princı`pi abbracciano un universo di fenomeni naturali e di applicazioni tecnologiche. Insegno corsi introduttivi di fisica da decenni e in questo libro ho tenuto in considerazione tutto cio` che ho imparato dai miei studenti circa le varie possibilita` di approccio alla fisica; circa i numerosi, sottili fraintendimenti con cui gli studenti ne iniziano lo studio; circa i concetti e i problemi che li mettono maggiormente alla prova; e circa i modi di rendere la fisica affascinante, eccitante e rilevante per la loro vita e i loro interessi. Termino con qualche suggerimento piu` specifico che deriva dalla mia lunga esperienza di insegnamento. Tenere a mente questi consigli vi rendera` lo studio della fisica piu` facile (ma non necessariamente facile!), piu` interessante e, spero, piu` divertente. n
Leggi ciascun capitolo dall’inizio alla fine con attenzione prima di affrontare la risoluzione di un qualsiasi problema. Ho scritto questo libro di testo con uno stile informale, colloquiale per renderlo piu` attraente. Non si tratta di un repertorio da tenere sullo scaffale e andare a consultare solo all’occasione; e` piuttosto una ‘‘storia’’ della fisica, che dischiude le grandi idee e le loro applicazioni tramite la risoluzione quantitativa di tanti problemi. Puoi pensare che
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Prefazione per lo studente
la fisica e` difficile perche´ il suo linguaggio e` matematico ma nella mia lunga esperienza ho trovato che l’unica importante ragione di difficolta` della fisica introduttiva e` aver omesso di leggere per intero il libro. n
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Individua i concetti fondamentali . La fisica non e` un guazzabuglio di fenomeni distinti e di leggi ed equazioni da tenere a mente. Invece da pochi princı`pi primi seguono miriadi di applicazioni, esempi e casi particolari. Soprattutto non ridurre la fisica a una ridda di equazioni tra cui devi scegliere quella adatta a risolvere un problema. Invece, cerca di individuare quei pochi concetti fondamentali e le equazioni che li rappresentano e cerca di renderti conto di come esempi apparentemente distinti e casi particolari rientrino nelle idee di base. Quando stai risolvendo i problemi, rileggi i paragrafi del testo connessi con l’argomento, facendo particolare attenzione agli esempi svolti. Segui la strategia IDEA descritta nel Capitolo 1 e utilizzata in tutti gli esempi svolti. Non tralasciare l’ultimo passo Controllo. Ma chiediti sempre: la risposta che ho trovato e` plausibile? Come posso capire il risultato tenendo conto dei princ ipi primi della fisica? Quali sono le analogie di questo problema con gli altri che ho gia` svolto o con quelli svolti nel testo?
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Non confondere la fisica con la matematica. La matematica e` una procedura di calcolo, non e` fine a se stessa. Le equazioni in fisica non sono astratte ma sono affermazioni che descrivono la realta` naturale. Accertati di comprendere il senso fisico di ogni equazione, non considerarla una semplice uguaglianza tra termini matematici. Lavora in gruppo. Mettersi insieme in modo informale in una stanza davanti a una lavagna e` un bel modo di esplorare la fisica, di chiarirsi le idee e di aiutare i tuoi compagni a chiarirsi le loro e di apprendere da loro. Vi incoraggio a discutere i problemi di fisica in gruppo per lavorare insieme sulle domande ‘‘Per riflettere e discutere’’ che si trovano alla fine di ogni capitolo e impegnarvi a dialogare animatamente man mano che la vostra comprensione di fisica, la scienza fondamentale, cresce.
Indice Capitolo 1 Fare fisica 1.1 1.2 1.3 1.4
1
Gli ambiti della fisica 1 Misure e unita` di misura 2 Lavorare con i numeri 5 Strategie per imparare la fisica
7.2 Energia potenziale 113 7.3 Conservazione dell’energia meccanica 7.4 Curve dell’energia potenziale 120
Capitolo 8 La gravitazione
8
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
PARTE PRIMA
Meccanica
13
Capitolo 2 Moto rettilineo 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Vettori 33 Vettori velocita` e accelerazione Moto relativo 37 Accelerazione costante 38 Moto di un proiettile 40 Moto circolare uniforme 45
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
33
131
173
10.1 Velocita` e accelerazione angolare 173 10.2 Momento torcente 176 10.3 Momento di inerzia e analogia con la seconda legge di Newton 178 10.4 Energia di rotazione 184 10.5 Moti rototraslatori 186
53
Una domanda mal posta 53 La prima e la seconda legge di Newton 54 Forze 58 La forza peso 59 Applicazioni della seconda legge di Newton La terza legge di Newton 63
5.1 Applicazioni della seconda legge del moto di Newton 73 5.2 Il moto di piu` oggetti vincolati 76 5.3 Il moto circolare 78 5.4 Le forze di attrito 82 5.5 Le forze di resistenza dei fluidi 86
Capitolo 6 Lavoro, energia e potenza
147
Centro di massa 147 La quantita` di moto 153 Energia cinetica di un sistema 156 Urti 158 Urti totalmente anelastici 159 Urti elastici 161
Capitolo 10 Moto rotatorio
36
Capitolo 5 Applicazioni delle leggi di Newton
6.1 6.2 6.3 6.4
Verso una legge della gravitazione La gravitazione universale 132 Moto orbitale 134 Energia gravitazionale 137 Il campo gravitazionale 140
Capitolo 9 Sistemi di punti materiali
Moto medio 15 Velocita` istantanea 16 Accelerazione 19 Accelerazione costante 20 L’accelerazione di gravita` 24
Capitolo 4 Forza e moto
131
15
Capitolo 3 Moto in due e in tre dimensioni 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
116
Capitolo 11 Descrizione vettoriale del moto
rotatorio e il momento angolare 61
73
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
I vettori velocita` e accelerazione angolare 195 Momento torcente e il prodotto vettoriale 196 Momento angolare 198 Conservazione del momento angolare 199 Giroscopi e precessione 201
Capitolo 12 Equilibrio statico 12.1 12.2 12.3 12.4
93
7.1 Forze conservative e non conservative
209
Condizioni per l’equilibrio 209 Il baricentro 210 Esempi di equilibrio statico 211 Stabilita` 214
PARTE SECONDA
Lavoro 93 Forze variabili 96 Energia cinetica 100 Potenza 102
Capitolo 7 Conservazione dell’energia
195
Oscillazioni, onde e fluidi Capitolo 13 Moto oscillatorio
111 111
227
229
13.1 Descrizione del moto oscillatorio 229 13.2 Moto armonico semplice 230 13.3 Applicazioni del moto armonico semplice
234
XVI Indice
13.4 13.5 13.6 13.7
Moto circolare e moto armonico semplice 238 Energia nel moto armonico semplice 239 Moto armonico semplice smorzato 241 Oscillazioni forzate e risonanza 242
Capitolo 14 Moto ondulatorio 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8
15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6
La carica elettrica 381 La legge di Coulomb 382 Il campo elettrico 385 Campi generati da distribuzioni di carica Campi elettrici e materia 392
Capitolo 21 Legge di Gauss 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6
277
Densita` e pressione 277 Equilibrio idrostatico 278 Il principio di Archimede 281 Dinamica dei fluidi 283 Applicazioni della dinamica dei fluidi Viscosita` e turbolenza 290
286
22.1 22.2 22.3 22.4
388
401
Linee di campo elettrico 401 Flusso e campo elettrico 402 Legge di Gauss 405 Utilizzando la legge di Gauss 406 Campi di distribuzioni di carica arbitrarie Legge di Gauss e conduttori 414
Capitolo 22 Potenziale elettrostatico
PARTE TERZA
413
423
Differenza di potenziale 423 Calcolo della differenza di potenziale 426 Differenza di potenziale e campo elettrico 432 Conduttori carichi 434
Capitolo 23 Energia elettrostatica e condensatori 23.1 23.2 23.3 23.4
299
Capitolo 16 Temperatura e calore
301
16.1 Calore, temperatura ed equilibrio termodinamico 301 16.2 Capacita` termica e calore specifico 16.3 Trasferimento di calore 306 16.4 Bilancio termico 311
304
Capitolo 17 Il comportamento termodinamico
della materia
379
Capitolo 20 Carica, forza elettrica 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5
Proprieta` delle onde 251 Descrizione matematica 253 Onde su una corda 255 Onde sonore 258 Interferenza 259 Riflessione e rifrazione 263 Onde stazionarie 265 Effetto Doppler e onde d’urto 268
Termodinamica
Elettromagnetismo
e campo elettrico 381
251
Capitolo 15 Dinamica dei fluidi
PARTE QUARTA
321
17.1 I gas 321 17.2 Cambiamenti di fase 326 17.3 Espansione termica 329
337
18.1 La prima legge della termodinamica 337 18.2 Processi termodinamici 339 18.3 Calori specifici di un gas ideale 347
Capitolo 19 La seconda legge
della termodinamica
357
19.1 Reversibilita` e irreversibilita` 357 19.2 La seconda legge della termodinamica 19.3 Applicazioni della seconda legge della termodinamica 363 19.4 Entropia e qualita` dell’energia 367
358
25.1 25.2 25.3 25.4 25.5
459
Corrente elettrica 459 Meccanismo di conduzione 461 Resistenza e legge di Ohm 467 Potenza elettrica 469 Sicurezza elettrica 470
Capitolo 25 Circuiti elettrici
Capitolo 18 Calore, lavoro e la prima legge
della termodinamica
Energia elettrostatica 443 Condensatori 444 Utilizzo di condensatori 446 Energia nel campo elettrico 450
Capitolo 24 Corrente elettrica 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5
477
Circuiti, simboli e forza elettromotrice 477 Resistenze in serie e in parallelo 479 Leggi di Kirchhoff e circuiti a molte maglie 485 Misura di grandezze elettriche 487 Circuiti con condensatori 488
Capitolo 26 Magnetismo: forza e campo 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 26.7 26.8
443
499
Cos’e` il magnetismo? 499 Forze e campi magnetici 500 Particelle cariche in un campo magnetico 501 La forza magnetica su una corrente 504 Origine del campo magnetico 506 Dipoli magnetici 509 Materiali magnetici 513 La legge di Ampe`re 515
Indice XVII
Capitolo 27 Induzione elettromagnetica 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6
531
Correnti indotte 531 La legge di Faraday 532 Induzione ed energia 536 Induttanza 541 Energia magnetica 547 Campi elettrici indotti 549
Fisica moderna Capitolo 33 Relativita`
Capitolo 28 Circuiti in corrente alternata 28.1 28.1 28.3 28.4 28.5 28.6
559
Corrente alternata 559 Elementi di un circuito in CA 560 Circuiti LC 565 Circuiti RLC forzati e risonanza 568 Potenza nei circuiti in CA 570 Trasformatori e alimentatori 571
Capitolo 29 Equazioni di Maxwell
e onde elettromagnetiche 29.1 29.2 29.3 29.4 29.5 29.6 29.7
579
Le quattro leggi dell’elettromagnetismo 579 Incompletezza della legge di Ampe`re 580 Le equazioni di Maxwell 581 Onde elettromagnetiche 582 Proprieta` delle onde elettromagnetiche 587 Lo spettro elettromagnetico 590 Produzione di onde elettromagnetiche 592
29.8 Energia e quantita` di moto di un’onda elettromagnetica
593
PARTE QUINTA
Ottica
607
Riflessione 607 Rifrazione 608 Riflessione totale 611 Dispersione 613
e formazione di immagini
621
Immagini riflesse dagli specchi 621 Immagini formate da lenti 628 Rifrazione nelle lenti: i dettagli 631 Strumenti ottici 635
Capitolo 32 Interferenza e diffrazione
673
Rispetto a cosa e` misurata la velocita` c? 673 Materia, moto ed etere 674 Relativita` speciale 676 Spazio e tempo nella relativita` 676 La simultaneita` e` relativa 683 Le trasformazioni di Lorentz 684 Energia e quantita` di moto in relativita` 688 Elettromagnetismo e relativita` 692 Relativita` generale 694
Capitolo 34 Onde e particelle 34.1 34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7
701
Verso la teoria quantistica 701 La radiazione di corpo nero 702 I fotoni 704 Gli spettri atomici e l’atomo di Bohr 708 Onde di materia 713 Il principio di indeterminazione 714 Complementarieta` 717
Capitolo 35 Meccanica quantistica 35.1 35.2 35.3 35.4 35.5
36.1 36.2 36.3 36.4 36.5
645
32.1 Coerenza e interferenza 645 32.2 Interferenza da una doppia fenditura 647 32.3 Interferenza da fenditure multiple e reticolo di diffrazione 649 32.4 Interferometria 653 32.5 Principio di Huygens e diffrazione 656 32.6 Il limite di diffrazione 659
37.1 37.2 37.3 37.4
741
L’atomo di idrogeno 741 Spin dell’elettrone 745 Il principio di esclusione 749 Gli atomi a piu` elettroni e la tavola periodica Transizioni e spettri atomici 754
761
I legami molecolari 761 I livelli energetici molecolari I solidi 766 Superconduttivita` 773
Capitolo 38 Fisica nucleare 38.1 38.2 38.3 38.4 38.5
723
Particelle, onde e probabilita` 723 L’equazione di Schro¨dinger 725 Particelle e potenziali 727 Meccanica quantistica in tre dimensioni 735 Meccanica quantistica relativistica 736
Capitolo 37 Molecole e solidi
Capitolo 31 Strumenti ottici 31.1 31.2 31.3 31.4
33.1 33.2 33.3 33.4 33.5 33.6 33.7 33.8 33.9
672
Capitolo 36 Fisica atomica
605
Capitolo 30 Riflessione e rifrazione 30.1 30.2 30.3 30.4
PARTE SESTA
763
781
Elementi, isotopi e struttura nucleare 781 Radioattivita` 787 Energia di legame e nucleosintesi 793 Fissione nucleare 795 Fusione nucleare 802
Capitolo 39 Dai quark al cosmo 39.1 Forze e particelle 811 39.2 Altre nuove particelle 812
811
750
XVIII Indice
39.3 I quark e il modello standard 817 39.4 Unificazione 820 39.5 L’evoluzione dell’universo 822
APPENDICI Appendice A Matematica
A-1
Appendice B Il Sistema Internazionale di Unita` di Misura (SI) A-9 Appendice C Fattori di conversione Appendice D Gli elementi Appendice E
A-13
Alcuni dati sul sistema solare
Risposte agli esercizi e ai problemi con numero dispari A-17 Crediti
A-11
C-1
Indice analitico
I-1
A-16
