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FISICA RIPASSONE
1. La fisica classica: Galileo e Newton
Galileo Galilei (1564-1642)
Metodo scientifico sperimentale : osservazione → ipotesi → esperimento → legge. Studia il moto dei corpi cadenti, scopre che tutti cadono con la stessa
accelerazione ( indipendentemente dalla massa).
Legge del moto uniformemente accelerato : Le trasformazioni di Galileo: Descrivono come cambiano le coordinate tra due sistemi in moto rettilineo uniforme l’uno rispetto all’altro. Assumono che Il tempo sia assoluto: uguale per tutti gli osservatori. Inoltre, le leggi della meccanica sono invarianti in tutti i sistemi inerziali
Isaac Newton (1642-1727)
Unifica le scoperte di Galileo e Keplero nella meccanica classica , con 3 leggi fondamentali:
Leggi della dinamica:
- Primo principio della dinamica (principio di inerzia) : un corpo mantiene il suo stato di quiete o moto rettilineo uniforme se non agisce su di esso alcuna forza.
- Secondo principio della dinamica (legge fondamentale della dinamica) : (la forza è proporzionale all’accelerazione)
- Terzo principio della dinamica (legge di azione e reazione) : a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.
Legge di gravitazione universale:
Due masse si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di esse. Spiega il moto dei pianeti, la caduta dei corpi, le maree, ecc. L’universo di Newton è deterministico, prevedibile, meccanico: se conosco lo stato iniziale, posso prevedere il futuro.
Non tiene conto della velocità finita della luce e non è compatibile con la relatività: per questo Einstein proporrà la relatività generale, dove la gravità è una curvatura dello spazio-tempo
2. Le equazioni di Maxwell e la luce
James Clerk Maxwell (1861–65)
Unifica l’elettricità e il magnetismo in 4 equazioni fondamentali dell’elettromagnetismo (qui riassunte in forma qualitativa):
- Legge di Gauss (per il campo elettrico) : le cariche elettriche generano campo elettrico. Il flusso del campo elettrico su una superficie chiusa è proporzionale alla carica racchiusa.
- Legge di Faraday –Neumann–Lenz : un campo magnetico variabile induce corrente elettrica. Un campo magnetico variabile nel tempo genera un campo elettrico (base del funzionamento del generatore elettrico).
- Legge di Gauss per il magnetismo : non esistono monopoli magnetici. Il campo magnetico non ha sorgenti (non esistono monopoli magnetici). Le linee del campo B⃗ sono sempre chiuse.
- Legge di Ampère-Maxwell : una corrente elettrica o un campo elettrico variabile genera un campo magnetico. Maxwell unifica elettricità e magnetismo e dimostra che un campo elettrico variabile genera un campo magnetico, e viceversa, nasce l’ onda elettromagnetica ( luce ). La velocità della luce (nel vuoto) è:
Esse sostituiscono le trasformazioni di Galileo e mostrano che per velocità molto inferiori a c, esse si riducono proprio a quelle galileiane. Sono fondamentali per giustificare la relatività ristretta. Effetto Doppler relativistico: La frequenza della luce cambia in base al moto relativo tra sorgente e osservatore. Se l'oggetto si allontana, la lunghezza d'onda aumenta (redshift); se si avvicina, diminuisce (blueshift). Relatività generale (1915) La gravità non è più una forza istantanea a distanza, ma la curvatura dello spazio-tempo causata dalla massa.
Spiega meglio il moto dei pianeti, la luce intorno ai corpi massivi (lenti gravitazionali).
5. La meccanica quantistica Einstein e l’effetto fotoelettrico Per spiegare l’effetto fotoelettrico, Einstein propone che la luce è formata da quanti di energia (fotoni). L'energia del fotone è la quantità di energia trasportata da un singolo fotone, un quanto di luce o di radiazione elettromagnetica. Energia del fotone: E= hf (con h costante di Planck= 6,6261+10^-34 J*s) Dualismo onda-particella Esperimenti mostrano che anche gli elettroni (materia) hanno comportamenti ondulatori (interferenza e diffrazione). Principio di indeterminazione (Heisenberg, 1927) Impossibile conoscere contemporaneamente posizione e velocità di una particella con precisione arbitraria, ciò limita la possibilità di determinare traiettorie esatte. Schrödinger descrive l’evoluzione della funzione d’onda ψ, che contiene tutte le informazioni sullo stato quantico: Con la sua equazione, introduce un modello atomico in cui gli elettroni non orbitano su traiettorie fisse (come in Bohr), ma si trovano in orbitali, regioni di probabilità. La meccanica quantistica è probabilistica : possiamo solo calcolare probabilità, non certezze. 5. Le onde Onde meccaniche Necessitano di un mezzo per propagarsi (es. onde sonore → compressioni e rarefazioni nell’aria o nella roccia → collegamento con la geologia/sismologia). Velocità del suono nell’aria: ~343 m/s
Prima legge di Ohm: Seconda legge di Ohm: Potenza elettrica: Leggi di Kirchhoff:
- Legge dei nodi : la somma delle correnti entranti in un nodo è uguale alla somma delle correnti uscenti, ovvero la somma delle intensità delle correnti entranti ed uscenti è uguale a 0:
- Legge delle maglie : in una qualsiasi maglia chiusa, la somma algebrica delle tensioni (forze elettromotrici e cadute di tensione) è zero, è una conseguenza della conservazione dell’energia: Queste leggi, insieme alla legge di Ohm, permettono di risolvere circuiti complessi con più generatori e resistenze, e di calcolare tensioni e correnti nei diversi rami dei circuiti.
