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A disposizione della commissione in formato PDF dispense a cura del docente per Relatività, Struttura dell’atomo e la parte finale relativa ai CIRCUITI (Elettromagnetismo)
CONTENUTI DISCIPLINARI E TEMPI
T: Trimestre
P: Pentamestre (in presenza)
Elettromagnetismo T, P
Definizione di campo elettrico e sue unità di misura T
Conservatività del campo elettrico statico, energia potenziale elettrica e potenziale elettrico T
Legame tra campo e potenziale elettrico nel caso di campo non uniforme T Definizione di campo magnetico e sue unità di misura T
Forza di Lorentz e forza di Laplace T
Moto di particelle cariche in campi magnetici ed elettrici costanti e uniformi T MRU, MCU, Moto Elicoidale Uniforme di una carica in un campo magnetico T Selettore di velocità. Spettrometro di massa T
Circuitazione e flusso dei campi elettrico e magnetico T
Equazioni di Maxwell per circuitazione e flusso dei campi nel caso statico T
Campo elettrico creato da una distribuzione piana di carica con teorema di Gauss T Condensatore piano e determinazione del campo elettrico interno/esterno. Legame tra campo e differenza di potenziale, legame tra carica e differenza di potenziale T
Definizione di capacità elettrica e suo significato. Il Farad T
Capacità per un condensatore piano. Dielettrico interposto e sue funzioni T
Energia elettrica immagazzinata in un condensatore piano. Energia per unità di volume immagazzinata in un campo elettrico T, P
Campo magnetico di un filo rettilineo indefinito percorso da corrente con legge di Ampere T
Campo magnetico in un solenoide con legge di Ampere. Induttanza di un solenoide T e P
Energia magnetica immagazzinata in un solenoide. Energia per unità di volume immagazzinata in un campo magnetico T e P
Fenomeni di induzione: effetti sperimentali di un magnete e un solenoide accoppiati P Legge di Faraday-Neumann-Lenz e sua derivazione (spira rettangolare con lato mobile) P
Non conservatività del campo elettrico variabile nel tempo P Coefficiente di autoinduzione o induttanza. L’Henry P
Circuiti RC carica/scarica: P
RC CARICA: equazione differenziale per q=q(t) e sua risoluzione (separazione delle variabili). Esame e grafico della soluzione
RC Costante di tempo tau=RC del circuito. Analisi del tempo di salita: la carica dopo 1tau, 5tau, 7tau o dopo un tempo qualsiasi
RC SCARICA: equazione differenziale per q=q(t). e sua risoluzione (separazione delle variabili). Esame e grafico della soluzione
RC Bilancio energetico: energia associata al condensatore C (immagazzinata nel campo elettrico) come integrale della potenza
RC Analisi energetica completa: energia come integrale (erogata dalla pila, dissipata dal resistore, immagazzinata nel condensatore)
Circuiti RL ON/OFF: P
RL in chiusura (ON): equazione differenziale per i=i(t). e sua risoluzione (separazione delle variabili). Esame e grafico della soluzione
RL in apertura (OFF): equazione differenziale per i=i(t). e sua risoluzione (separazione delle variabili). Esame e grafico della soluzione
RL Costante di tempo tau=L/R del circuito. Analisi del tempo di salita: la corrente dopo 1tau, 5tau, 7tau o dopo un tempo qualsiasi
RL Bilancio energetico: energia associata all'induttanza L (immagazzinata nel campo magnetico) come integrale della potenza
RL Analisi energetica completa: energia come integrale (erogata dalla pila, dissipata dal resistore, immagazzinata nell’induttore)
Generatore di corrente alternata con spira rotante in campo magnetico (cenno) Motore elettrico con spira rotante in campo magnetico (cenno)
Correnti e tensioni alternate e loro valori efficaci Circuiti LC e la corrente alternata: P
Circuito LC: equazione differenziale per q=q(t) e sua risoluzione. Esame e grafico della soluzione per carica q(t) e corrente i(t)
Circuito LC come antenna
LC Analisi energetica: energia come somma costante di energia elettrica nel condensatore e energia magnetica immagazzinata nell’induttore in funzione del tempo Legge di Ampere-Maxwell e la corrente di spostamento (cenno) P
Le 4 equazioni di Maxwell per circuitazione e flusso dei campi nel caso generale di fenomeni dipendenti dal tempo P
Onde elettromagnetiche: cariche elettriche accelerate come sorgenti, struttura dell’onda, spettro elettromagnetico, energia nel campo elettromagnetico, fotoni e loro energia P
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Relatività P
Relatività classica
- relatività galileiana, composizione galileiana delle velocità
- sistemi di riferimento inerziali e non inerziali, sistema di riferimento terrestre Crisi del modello classico
- la luce e la sua velocità di propagazione: Maxwell e l’etere luminifero Cinematica relativistica
- il 1905: l’anno d’oro di A.Einstein (moto browniano, corpo nero, effetto fotoelettrico, relatività)
- i due postulati della relatività ristretta, il primo di continuità, il secondo di discontinuità rispetto al passato e le loro conseguenze
- simultaneità di eventi, sincronizzazione di orologi, relatività della misura del tempo
- l’intervallo spaziotemporale c2∆t2 - ∆x2 come invariante relativistico, discussione del suo segno
- fattore relativistico gamma tra due sistemi di riferimento inerziali - intervallo di tempo proprio, lunghezza propria
- contrazione delle lunghezze; sistema di riferimento proprio per la misura delle lunghezze, non contrazione nella direzione perpendicolare al moto
- dilatazione dei tempi, sistema di riferimento proprio per la misura dell’intervallo di tempo tra due eventi
- composizione relativistica delle velocità Dinamica relativistica
- nuova ridefinizione della quantità di moto per salvarne il principio di conservazione
- fattore relativistico gamma per una particella
- massa di una particella come invariante relativistico e non dipendente dalla velocità
- energia cinetica relativistica, energia a riposo, energia totale
- energia di legame, due esempi: la particella alfa e l'atomo di idrogeno - energia e quantità di moto del punto materiale e del fotone
- E2 - c2q2 come costante del moto e invariante relativistico
- massa zero e velocità c della luce nel vuoto si implicano l’una l’altra Struttura dell’Atomo T e P
Introduzione alla fisica quantistica T
- dalla teoria dei quanti alla fisica quantistica Effetto Hall (1879) T
esperimento di Hall dirimente la questione del segno dei portatori di carica nei metalli
Esperimento di J.J.Thomson (1897) T
- i raggi catodici: l’interpretazione ondulatoria tedesca e quella corpuscolare inglese
- l’apparato sperimentale di J.J. Thomson: cannoncino elettronico come acceleratore lineare di particelle, l'elettronVolt (eV); il tubo catodico e problema del vuoto (perché l’esperimento non riusciva); risultati sperimentali e loro interpretazione; determinazione della deflessione e del rapporto carica/massa per l'elettrone
LABORATORIO: esperimento con tubo a raggi catodici di Wehnelt e determinazione del rapporto e/m per gli elettroni in questa configurazione
Corpo nero T
- definizione di corpo nero, sua riproducibilità in laboratorio
- problema del corpo nero (cosa la fisica ottocentesca non riusciva a spiegare) - assorbimento/emissione di radiazione e.m., legge di Stefan-Boltzmann, legge di
Wien
- ipotesi quantistica di Max Planck (Berlino, dicembre 1900): legge e formula di Planck
- analisi della formula di Planck per la distribuzione P di potenza emessa come funzione di λ e T, interpretazione dell’area sottesa dal grafico P(λ) come potenza emessa in una banda spettrale
- corpo nero e astrofisica: stima della temperatura superficiale del Sole (o di una stella) con la legge di Wien, stima delle dimensioni di una stella con la legge di Stefan-Boltzmann
Effetto fotoelettrico T
- la frequenza di soglia come fatto inspiegabile dalla fisica del tempo
- apparato sperimentale e risultati sperimentali di Lenard (1902), misure tensione-corrente
- la radioattività (1896), Rutherford e le particelle alfa come elio ionizzato
- energia potenziale elettrica, interazione tra due particelle cariche, stati legati e non legati
- il primo modello atomico di J.J.Thomson (plum pudding) - l'esperimento di Rutherford-Geiger-Marsden (1909-10)
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- modello atomico nucleare di Rutherford (1911)
- stima dimensioni nucleari di Rutherford (urto centrale tra particella alfa e nucleo di oro).
Modello di Bohr per l’atomo di idrogeno (1913) P
- spettri atomici a righe di emissione e assorbimento. Formula di Balmer, formula di Rydberg Ritz.
- punti di partenza del modello atomico di Bohr del 1913 e suoi obiettivi - la prima formulazione di Bohr:
- i primi due postulati (orbite stazionarie e transizioni elettroniche)
- quantizzazione delle orbite e delle energie (costante di Rydberg empirica) - principio di corrispondenza e determinazione teorica della costante di Rydberg - ricerca di una regola di quantizzazione semplice: il momento angolare
- la seconda formulazione di Bohr:
- i tre postulati alla base del modello
- rideterminazione della quantizzazione delle orbite e delle energie - limiti del modello atomico di Bohr
Atomi a più elettroni P
- atomi idrogenoidi, formule di quantizzazione per raggi ed energie - esperimenti di Henry Moseley (1913-14) con i raggi X
- riga Kα nello spettro X e legame col numero atomico Z della tavola periodica Effetto laser P
- emissione spontanea e stimolata (Einstein 1916-17), effetto laser complementarità P
- ipotesi di De Broglie (1924), e la lunghezza d'onda elettronica
- ipotesi di De Broglie e modello di Bohr: spiegazione del primo e terzo postulato - dualismo onda corpuscolo e principio di complementarità (Bohr, 1927)
- indeterminazione e conclusione della storia: cenno ai contributi di Schrodinger, Born, Heisenberg, Bohr (e i dubbi di Einstein) alla formulazione finale della teoria quantistica
Fisica Nucleare, radioattività P Struttura del nucleo atomico Energia di legame
Radioattività alfa, beta e gamma, tempo di dimezzamento/decadimento Radiodatazione C14
Fissione e Fusione Nucleare (cenno) Raggi cosmici (cenno)
ANNO SCOLASTICO: 2021 - 2022
CLASSE: QUINTA
SEZIONE: B
INDIRIZZO: LICEO SCIENTIFICO SCIENZE APPLICATE
MATERIA: Fisica
DOCENTE: Paolo Donelli
LIBRI DI TESTO: WALKER, Modelli teorici e problem solving, vol.
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A disposizione della commissione in formato PDF dispense a cura del docente per Relatività, Struttura dell’atomo e la parte finale relativa ai Circuiti (Elettromagnetismo)
OBIETTIVI RAGGIUNTI (ed eventuali integrazioni sui criteri di valutazione)
La classe ha avuto l’attuale insegnante per tutti e tre ultimi anni di corso.
Vista la vastità dei programmi da svolgere e la pandemia Covid19, è stato necessario tagliare o solo accennare alcuni argomenti. Il programma previsto non è stato svolto al completo a causa dell’emergenza sanitaria.
Il libro di testo è stato sottoutilizzato: per la parte di elettromagnetismo gli studenti hanno studiato soprattutto sugli appunti presi a lezione, per la fisica del XX secolo gli argomenti svolti, in aggiunta agli appunti, sono stati studiati sulle dispense scritte dal docente e condivise con gli studenti durante l’anno tramite registro elettronico.
Buona parte della classe ha sempre dimostrato interesse, attenzione e continuità nel lavoro e per alcuni di essi i risultati conseguiti possono ritenersi di buon livello, se non ottimo.
Per altri studenti uno studio extrascolastico talvolta non adeguato non ha permesso di raggiungere i risultati attesi, o comunque risultati adeguati alle potenzialità, per pochi sono presenti lacune.
Al termine del corso di studi superiori, pur in maniera differenziata, gli studenti, nel complesso, dimostrano:
- di saper affrontare esercizi e semplici problemi su quasi tutti gli argomenti trattati - buone capacità intuitive
- difficoltà nel padroneggiare in modo unitario i contenuti appresi nell’arco del triennio
- difficoltà nell'analisi di problemi non standard
Su quasi tutti gli argomenti in programma, sono stati svolti e assegnati numerosi esercizi e problemi di approfondimento tramite la funzione materiali condivisi del registro elettronico.
Si è fatto uso, di norma, del Sistema Internazionale per le unità di misura.
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