LA FISICA SEMPLICE

COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI

Direttore

Ivan DUniversità degli Studi di Roma “Tor Vergata”

Comitato scientifico

Livio NUniversità degli Studi di Roma “Tor Vergata”

Michael ADepartment of Physics, Long Island University

LA FISICA SEMPLICE

COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI

I fatti matematici che vale la pena studiare sono quelli che, in analogia adaltri fatti, sono in grado di portarci alla conoscenza di una legge fisica.

Henri P

La collana ha come obiettivo quello di pubblicare testi di Fisi-ca di base presupponendo che il lettore abbia le conoscenzematematiche apprese in una qualunque scuola superiore. “LaFisica semplice” si rivolge a studenti e giovani laureati che nondevono intraprendere la carriera tipica di uno studente di Fisicao di Ingegneria. Le attività scientifiche cosiddette soft sono inrapida evoluzione, ma sono spesso caratterizzate da una scarsapreparazione fisico–matematica.

Questa lacuna deve essere colmata invitando ad uno studiodelle materie scientifiche di base più assiduo e consapevole,ma anche rivedendo molti dei percorsi formativi che le scienzeesatte abitualmente offrono a questi studenti. Le attività diquesti operatori scientifici, pur non avendo bisogno di unacompleta preparazione in Fisica, necessitano comunque deglistrumenti tipici della Fisica di base, che siano ridotti al minimo,ma che siano nel contempo molto chiari e solidi.

La collana ospita testi, siano essi monotematici o generalisti,che contengono la descrizione dei fenomeni espressa con un lin-guaggio semplice, ma corretto, e le conseguenti conclusioni de-vono essere presentate in forme operative facilmente accessibili,quali formule e grafici.

Francesca Ferrari

Esperimenti di Fisica

Per la scuola secondaria superiore

Prefazione diIvan Davoli

Copyright © MMXVAracne editrice int.le S.r.l.

www.aracneeditrice.itinfo@aracneeditrice.it

via Quarto Negroni, Ariccia (RM)

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Non sono assolutamente consentite le fotocopiesenza il permesso scritto dell’Editore.

I edizione: marzo

Indice

Prefazionedi Ivan Davoli

Introduzione

Capitolo IMeccanica

.. Il moto, – ... Moto rettilineo uniforme, – ... Motouniformemente accelerato, – ... Moto circolare uniforme, – ... Moto del pendolo, – .. Conservazione dell’energiameccanica, – .. Le forze, – ... La composizione delleforze, – ... Forze agenti su un corpo sul piano inclinato, –.. Misura della costante elastica di un molla, .

Capitolo IIFluidodinamica

.. Legge di Archimede, – .. Legge di Pascal, .

Capitolo IIIIl calore

.. Taratura di un termometro, – .. Cambiamenti di fa-se dell’acqua, – .. Dilatazione lineare dei corpi solidi, –.. Equivalente in acqua di un calorimetro, – .. Il calorespecifico, .

Capitolo IVElettromagnetismo

.. Carica elettrica, – .. Il campo elettrico, – .. Primalegge di Ohm, – .. Seconda legge di Ohm, – ... Carica

Indice

e scarica di un condensatore, – .. Le linee del campo magne-tico, – .. Interazione tra campo magnetico e corrente, –... Esperienza di Oersted, – ... Esperienza di Faraday, –... Esperienza di Ampere, .

Capitolo VOnde

.. Esperienze con l’ondoscopio, – ... Esperienza : propa-gazione delle onde, – ... Esperienza : riflessione mediante unospecchio piano, – ... Esperienza : Riflessione da uno specchioconcavo, – ... Esperienza : diffrazione, – ... Esperienza: interferenza, – ... Verifichiamo che il suono è un’onda, –.. Tubo di Kundt, – .. Risonanza, – ... Esperienza , – ... Esperienza , – .. Battimenti, – .. Esperienze conil banco ottico, – ... La rifrazione, – ... La riflessione, – ... I diottri: lenti e specchi, – ... Esperienza : rifrazione, – ... Esperienza : riflessione,

Prefazionedi I D

Insegnare la Scienza e in particolare la Fisica nelle scuole mediedi secondo livello è una vera e propria impresa. La Scienzaha un linguaggio suo proprio, fatto di formule e grafici chenon sono facili da esemplificare, senza cadere in pericolosemisconoscenze; d’altronde i concetti fisici sono anche difficilida capire perché richiedono un livello di astrazione in molticasi elevato. Ma soprattutto il tempo a disposizione per uninsegnante di fisica nelle scuole superiori è decisamente scarso.

Contemporaneamente però dobbiamo essere coscienti cheproprio nella adolescenza e precisamente nel periodo scolasticosi sviluppa nei ragazzi il talento razionale e la loro vocazioneverso un approfondimento della cultura scientifica. E se in que-sta delicata fase di crescita intellettuale la Fisica dovesse esserepresentata in modo incompleto, superficiale o semplicementenoioso, facilmente provocheremmo in molti ragazzi, disinteres-se e avversione per la Fisica, ma anche per tutte le altre Scienzedi cui la Fisica è madre.

Il libro Esperimenti di Fisica della Prof.ssa Francesca Ferrari èuna raccolta di esperimenti che si possono realizzare anche inlaboratori didattici non particolarmente attrezzati, la cui ricchez-za risiede nel modo particolarmente semplice ed esaurientecon cui vengono presentati alcuni concetti base della fisica clas-sica senza rischiare di annoiare gli studenti. Unica richiesta aifruitori di questo testo è una po’ curiosità e un grande desideriodi conoscenza del mondo.

Introduzione

Le esperienze di laboratorio sono parte integrante del pro-gramma di fisica. Durante le attività laboratoriali vi è infattil’occasione di mostrare agli studenti la manifestazione praticadi quanto studiato in teoria.

Lo scopo di questa raccolta è quello di presentare una seriedi esperienze facilmente realizzabili nella scuola superiore construmenti e materiali di facile reperibilità.

Gli esperimenti sono corredati di una breve introduzioneteorica che aiuti ad inquadrare l’esperienza nel programmasvolto in classe.

Capitolo I

Meccanica

In questa sezione illustriamo alcuni esperimenti sul moto, sullaconservazione dell’energia e sulle forze.

.. Il moto

Per analizzare il moto di un corpo occorre definire almeno duegrandezze fisiche fondamentali: lo spazio ed il tempo.

Definiamo a partire da esse la velocità come lo spazio per-corso in un intervallo di tempo. Il più semplice tipo di motoche possiamo definire è quello rettilineo uniforme. Il corpo simuove in linea retta percorrendo spazi uguali in tempi ugua-li, cioè a velocità costante. Introduciamo un’altra grandezza:l’accelerazione. Essa rappresenta la variazione della velocitàin un intervallo di tempo. Il moto uniformemente acceleratoè caratterizzato da una accelerazione costante, cioè in esso lavelocità varia ad un ritmo costante.

... Moto rettilineo uniforme

.... Materiale occorrente

— Rotaia a cuscino d’aria;— Compressore;— Cursore;— Dispositivi di ritegno e rilascio;— Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale.

Esperimenti di Fisica

.... Procedura

Posizioniamo un cursore sulla rotaia, in posizione orizzontale[Figure . e .]. Per verificare che la rotaia sia perfettamente oriz-zontale regoliamo l’altezza dei supporti fino a quando si verificache il cursore, in assenza di erogazione di aria, rimane fermo.

La prima fotocellula deve essere posizionata a cm dalpunto di partenza del cursore. Fissiamo la seconda a distanzavariabile, in modo da raccogliere dati corrispondenti a diversedistanze. Per abbassare l’errore di misura ripetiamo la misura,per ogni distanza, almeno tre volte e compiliamo tabelle comela seguente (tab. .).

Figura .. Rotaia a cuscino d’aria.

Figura .. Cursore e fotocellule collegate ai sensori.

. Meccanica

Tabella ..d [cm] t [s] t [s] t [s] Media dei tempi tm [s]

20

40

60

Tabella ..d [cm] vm [cm/s]

Calcoliamo la velocità secondo la formula:

vm =s

tm

Riportiamo i valori ottenuti in tabella (tab. .) completandocon gli errori. I valori devono essere compatibili entro le incer-tezze, dimostrando che il valore della distanza percorsa ed iltempo impiegato sono direttamente proporzionali.

... Moto uniformemente accelerato

.... Materiale occorrente

— Rotaia a cuscino d’aria;— Compressore;— Cursore;— Dispositivi di ritegno e rilascio;— Due fotocellule collegate ad un cronometro centesimale;— Porta–pesi;— Filo inestensibile (di cotone).

Esperimenti di Fisica

.... Procedura

Sistemiamo la rotaia in modo che sia orizzontale [Figure .e .]. Fissiamo il cursore al dispositivo di ritegno, in modoche non si muova e colleghiamolo, tramite il filo di cotone, alporta–pesi.

Una fotocellula deve essere posta presso il dispositivo diritegno la seconda può essere collocata presso la fine della rotaia.

Si inserisce una massa nel porta–pesi e si libera il cursore inmodo che il peso lo faccia muovere sulla rotaia. Si annota intabella la misura del tempo di transito tra le due fotocellule. Siripete la misura tre volte e si calcola la media dei valori trovatiin modo da abbassare l’errore.

L’accelerazione del cursore può essere calcolata teoricamen-te grazie alla seconda legge della dinamica:

a =F

m

Sulla base dei dati raccolti calcoliamo, invece, l’accelerazionedalla formula:

a =s

t

La formula deve fornire un valore compatibile con quelloottenuto dalla legge della dinamica dimostrando che il moto èben descritto dalla legge del moto uniformemente accelerato.

Possiamo ripetere la procedura cambiando la massa nelporta–pesi e verificare che l’accelerazione varia in funzionedella forza applicata (tab. .).

. Meccanica

Tabella ..Misura t [s]

1

2

3

Media [s]

Tabella ..s [m] t [s] a [m/s] F [N] m [kg] a [m/s]

Figura .. Massa da collegare al cursore.

Figura .. Apparato per lo studio del moto circolare uniforme: il disco èmosso dal motore elettrico. La linguetta oscura le fotocellule collegate alcronometro.

Esperimenti di Fisica

... Moto circolare uniforme

.... Prerequisiti

Il moto circolare uniforme è un caso di moto uniformementeaccelerato. Tale moto si svolge su una circonferenza. Il corpoin moto percorre archi uguali in tempi uguali.

.... Materiale occorrente

— Due fotocellule collegate ad un cronometro digitale;— Piattaforma circolare di compensato fissata ad un moto-

rino elettrico;— Carrellino con linguetta;— Goniometro.

.... Procedura

Sulla piattaforma disegniamo angoli di °, °, °, ° e °.Assembliamo, poi, l’apparato di figura .. Il motorino elettricofa muovere la piattaforma di moto circolare uniforme. Duranteil moto rotatorio la linguetta oscura le fotocellule.

La prima fotocellula attiva il cronometro al primo oscura-mento. La seconda fotocellula ad ogni oscuramento ferma ilcronometro. Fissiamo, dapprima, la prima fotocellula in corri-spondenza dell’angolo ° e la seconda in corrispondenza del-l’angolo °. Poniamo in moto il disco e raccogliamo almenotre misure dei tempi registrati dal cronometro tra un oscura-mento e l’altro. Ripetiamo la procedura ponendo la secondafotocellula in corrispondenza degli altri angoli che abbiamofissato sul disco.

Raccogliamo i dati in tabella (tab. .).Calcoliamo la velocità angolare mediante:

ω =α

tm

. Meccanica

Tabella ..a [m/s] t [s] t [s] t [s] Media dei tempi tm [s]

Verifichiamo che la velocità angolare si mantiene uguale alvariare dell’angolo scelto.

... Moto del pendolo

Il periodo di oscillazione di un pendolo semplice si può calcola-re mediante la relazione:

T = π

√

√

√

√

l

g

Dove l è lunghezza del filo del pendolo, g è l’accelerazionedi gravità.

.... Materiale occorrente

— Sferette di massa diversa;— Fili sottili;— Asta con sostegno;— Cronometro;— Goniometro;— Bilancia di precisione;— Righello da un metro.