Esercizi_di_fisica_con_soluzioni, Esercitazioni e Esercizi di Fisica I. Università di Parma
andrethef
andrethef29 giugno 2012

Esercizi_di_fisica_con_soluzioni, Esercitazioni e Esercizi di Fisica I. Università di Parma

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Esercizi di fisica con soluzioni

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Esercizi di fisica con soluzioni

Indice Voci

0

Esercizi di fisica con soluzioni 1 Esercizi di fisica con soluzioni 1

Meccanica 2 Cinematica 2 Statica e dinamica del punto materiale 11 Energia meccanica 18 Moti relativi 20 Dinamica di sistemi di punti materiali 21 Corpi rigidi 23 Quantità di moto 27 Proprietà meccaniche dei fluidi 31

Termodinamica 32 Calore 32 Il I principio della termodinamica 33

Elettromagnetismo 39 Elettrostatica 39 La legge di Gauss 58 La corrente elettrica 71 Magnetismo 88 Correnti alternate 102

Onde 113 Onde 113

Cristallografia 117 Cristallografia 117

Note Fonti e autori delle voci 119 Fonti, licenze e autori delle immagini 120

Licenze della voce Licenza 121

1

Esercizi di fisica con soluzioni

Esercizi di fisica con soluzioni In questo libro troverete dei problemi di fisica di vari livelli di difficoltà a cui segue la spiegazione del procedimento utilizzato per risolverlo. Gli esercizi sono suddivisi in base all'argomento; l'elenco completo degli argomenti è indicato qui a fianco.

Libri correlati • Fisica classica • Termodinamica

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2

Meccanica

Cinematica

Esercizi

Fascio catodico In un tubo a raggi catodici di un televisore gli elettroni attraversano una regione con moto rettilineo, sottoposti ad una accelerazione costante. Sapendo che la regione è lunga e che gli elettroni entrano nella regione con velocità

ed escono con velocità . Determinare: Il valore dell'accelerazione a cui sono sottoposti gli elettroni ed il tempo di attraversamento della regione stessa.

(dati del problema , , )

Automobile Un'auto parte da ferma con accelerazione uguale a 4 m/s². Si determini quanto tempo impiega a raggiungere la velocità di 120 km/h e quanto spazio percorre durante la fase di accelerazione.

Treno Un treno parte da una stazione e si muove con accelerazione costante. Passato un certo tempo dalla partenza la sua velocità è divenuta , a questo punto percorre un tratto e la velocità diventa . Determinare accelerazione, tempo per percorre il tratto e la distanza percorsa dalla stazione al punto in cui la velocità è .

(dati del problema , , )

Rally In un tratto speciale di un rally automobilistico un pilota deve percorrere nel tempo minimo un tratto , partendo e arrivando da fermo. Le caratteristiche dell'auto sono tali che l'accelerazione massima vale , mentre in frenata la decelerazione massima vale . Supponendo che il moto sia rettilineo, determinare il rapporto tra il tempo di decelerazione ed accelerazione, e la velocità massima raggiunta.

(dati del problema , , )

Cinematica 3

Moto armonico semplice Una particella vibra di moto armonico semplice con ampiezza , attorno all'origine, e la sua accelerazione all'estremo della traiettoria vale . All'istante iniziale passa per il centro. Determinare: La velocità quando passa per il centro ed il periodo del moto.

(Dati: , )

Caduta con attrito viscoso Un oggetto viene lasciato cadere, da fermo ad una quota , sotto l'azione combinata della accelerazione di gravità e di una decelerazione proporzionale alla velocità (dovuta all'attrito viscoso) secondo la legge . La velocità di regime vale . Determinare: a)Dopo quanto tempo la decelerazione dovuta all'attrito viscoso vale 0.9 della accelerazione di gravità (ovviamente con segno opposto); b) a quale quota si trova nel caso a); c) il tempo approssimativo di caduta (la formula esatta è non ottenibile semplicemente)

(dati del problema , )

Moto parabolico Le equazioni parametriche di un punto materiale sono

Determinare l'equazione della traiettoria e la velocità in modulo al tempo

(dati del problema , , , ).

Moto circolare non uniforme Un punto materiale si muove su un'orbita circolare, orizzontale di raggio e la sua velocità angolare segue la legge:

Determinare: a) il modulo dell'accelerazione quando ; b) il tempo necessario a fare un giro a partire dall'istante iniziale. (dati del problema , , )

Palla in alto Una palla viene lanciata verso l'alto con velocità iniziale ; dopo un tempo passa di fronte ad un ragazzo ad altezza dal suolo e continua a salire verso l'alto. Determinare: a) velocità iniziale ; b) La quota massima . (dati del problema , )

Macchina in frenata Per fermare un'auto, passa prima di tutto un certo tempo di reazione per dare inizio alla frenata, poi vi è un tempo di frenata fino all'arresto. A parità di accelerazione di frenata e tempo di reazione partendo da una velocità la macchina frena in , mentre ad una velocità di regime di frena in . Determinare: a) La decelerazione; b) il tempo di reazione del guidatore

(dati del problema , , , , il moto dopo il tempo di reazione è un moto accelerato uniforme)

Cinematica 4

Ampiezza moto armonico Una particella vibra di moto armonico semplice attorno all'origine. All'istante iniziale si trova in e la sua velocità vale ed il periodo vale . Determinare il massimo allontanamento dalla posizione di equilibrio e dopo quanto tempo dall'istante iniziale la velocità si è annullata.

(Dati: , , )

Moto ellittico Le equazioni parametriche di un punto materiale, che descrive una ellisse intorno all'origine, sono: ,

. Determinare, quando si è fatto un quarto di giro a partire dall'istante iniziale, quale sia la distanza dal centro, la velocità e l'accelerazione in modulo del punto materiale.

(dati del problema , , ).

Moto a spirale Le equazioni parametriche di un punto materiale, che descrive una curva a spirale con partenza nell'origine, sono :

Determinare, quando si è fatto un giro a partire dall'istante iniziale, quale sia la posizione, la velocità e l'accelerazione in modulo del punto materiale.

(dati del problema , )

Soluzioni

Fascio catodico L'equazioni del moto dopo avere attraversato la regione, detto il tempo incognito, si ha che:

Sono due equazioni in due incognite e , sostituendo ricavabile dalla seconda equazione nella prima si ha:

Cinematica 5

Automobile

Poichè il moto è uniformemente accelerato la velocità è regolata dalla legge .

vale poiché l'auto parte da ferma, si ricava quindi

Inoltre per un moto uniformemente accelerato la legge del moto è . Fissiamo il punto come punto di partenza dell'auto e calcoliamo lo spazio percorso in un tempo

.

Treno Assunta come origine delle coordinate spaziali la stazione e del tempo l'istante di partenza. L'equazioni del moto sono:

Dai dati del problema:

da cui:

Imponendo che:

Il tempo per fare il tratto :

La distanza dalla stazione di partenza:

Cinematica 6

Rally Definisco il tempo di accelerazione e quello di decelerazione:

da cui:

Imponendo che lo spazio percorso sia :

Nota: nel calcolo del rapporto R il valore 1.5 è corretto, ma questo vale per t1/t2 (mentre nell'esercizio è riportato l'inverso). Si consiglia di ricalcolare i valori che seguono R nell'esercizio stesso.

Moto armonico semplice Dai dati del problema:

Quindi:

Quindi nella posizione centrale:

Cinematica 7

Caduta con attrito viscoso a) Da dati del problema (notare che è negativo se g è diretto verso il basso):

Quindi:

Se chiamiamo il tempo per cui;

Ma essendo:

segue che:

Cioè:

b)

c) Il termine esponenziale nell'espressione ha un valore trascurabile per cui:

Cioè il termine esponenziale è trascurabile.

Notare che il valore esatto (tenendo conto del termine esponenziale e risolvendo in maniera numerica per approssimazioni successive) vale:

Moto parabolico Eliminando il tempo tra le due equazioni:

cioè l'equazione di una parabola. Derivando rispetto al tempo l'equazioni parametriche:

quindi il modulo della velocità:

Cinematica 8

che per :

Moto circolare non uniforme a)

quindi in modulo:

b) Dai dati del problema essendo:

Imponendo che:

Palla in alto L'equazione del moto è:

Essendo per :

La massima altezza viene raggiunta quando :

Ad una altezza di:

Cinematica 9

Macchina in frenata Nel caso generale: la velocità iniziale è , il tempo di reazione, il tempo di frenata, lo spazio di frenata, possiamo scrivere che:

Ma nel nostro caso specifico sostituendo nell'equazione del moto i dati del problema:

Da cui ricavo e di frenata. Nel nostro caso specifico:

Risolvendo il sistema nelle due incognite e : a)

b)

Ampiezza moto armonico La pulsazione del moto vale:

Mentre posso scrivere in generale che:

ed:

Dalle condizioni iniziali:

Facendo il rapporto:

La massima elongazione vale:

Mentre la velocità si annulla quando a partire dall'istante iniziale:

Cinematica 10

Moto ellittico Per compiere un quarto di giro occorre che:

essendo:

ed

dopo 1/4 di giro si ha che e quindi:

e

e

Moto a spirale La velocità vale:

In modulo:

Mentre la accelerazione vale:

In modulo vale:

Viene fatto un giro quando:

Quindi:

Cinematica 11

Statica e dinamica del punto materiale

Esercizi

Cassa Una cassa di massa è poggiata al suolo ed ha un coefficiente di attrito statico di con il suolo. Quale è la minima forza necessaria a spostare la cassa se tale forza viene applicata su una faccia laterale e forma un angolo di

con il piano orizzontale?

(dati del problema , , )

Trave inclinata

Trovare le tensioni nel cavo mostrato in figura e la reazione vincolare della trave. Trascurare la massa della trave di legno. Il sistema è in equilibrio statico.

(Dati del problema , )

Due cubi

Sopra un piano orizzontale è poggiato un cubo di massa , che può scorrere senza attrito sul piano. Sopra il cubo è poggiato un altro cubetto di massa a distanza dalla faccia del cubo più grande. All'istante iniziale, quando tutto è fermo, al cubo è applicata una forza orizzontale; dopo il cubetto cade. Calcolare il coefficiente di attrito tra i due cubi

(Dati del problema , , , , )

Statica e dinamica del punto materiale 12

Piastra con sopra un oggetto Su un piano orizzontale è appoggiata una piastra quadrata di massa , ferma. Il coefficiente di attrito radente piastra-piano vale . Sulla piastra viene posto un corpo di massa , che si muove con velocità iniziale in modulo (parallela ai lati della piastra). Il coefficiente attrito corpo-piastra è . Commentare la relazione che deve esistere tra , , , e perché la piastra si muova? Trovare: a) La distanza percorsa dal corpo sulla piastra prima di fermarsi. La distanza percorsa dalla piastra sul ripiano prima di fermarsi.

(dati del problema , , , , )

Automobile Una automobile di massa accelera da fermo. Su di essa agisce una forza data da:

Dove è il tempo dopo la partenza. Trovare la velocità e lo spazio percorso trascorso un tempo .

(dati del problema , , , )

Piattaforma ruotante Un oggetto di massa poggia su una piattaforma che può ruotare. L'oggetto è trattenuto da una fune, di lunghezza

, la cui massima tensione vale . La piattaforma parte da fermo ed accelera con una accelerazione angolare costante. L'attrito statico tra piattaforma ed oggetto vale . Quando la fune si spezza?

(dati del problema , , , , )

Piano inclinato Un punto materiale di massa viene lanciato a partire dalla posizione con velocità iniziale lungo un piano inclinato di altezza con angolo rispet to alla direzione orizzontale. Il coefficiente di attrito dinamico tra punto e piano inclinato vale . Calcolare: a) L'accelerazione del moto (in modulo). b) Il tempo che impiega il punto a raggiungere . c) Il valore del coefficiente di attrito dinamico per il quale il punto materiale arriva in con velocità nulla.

(dati del problema , , , )

Oscillazione con elastico

Un elastico è attaccato al soffitto ed ha una massa trascurabile, la sua lunghezza a riposo vale , la costante di richiamo elastico vale . Al tempo una massa viene attaccata da fermo all'estremo libero della molla (a riposo) e lasciato muovere. Il moto successivo è armonico. Determinare la velocità massima e la posizione più bassa raggiunta.

Pendolo conico elastico Un pendolo conico, un punto materiale che percorre un'orbita circolare orizzontale, sotto l'azione combinata della forza peso e della tensione del filo. Il filo che sostiene la massa è elastico con una lunghezza riposo di e costante di richiamo elastica . Il filo si spezza quando raggiunge una lunghezza due volte maggiore del valore a riposo. Determinare quando il filo si spezza: a) La tensione del filo. b) L'angolo che il filo forma con la verticale. c) La velocità (in modulo) del punto materiale. (dati del problema , , )

Statica e dinamica del punto materiale 13

Soluzioni

Cassa Se la forza è applicata uscente, la reazione normale vale:

Imponendo che:

Quindi l'estremo superiore vale:

Se la forza è applicata entrante, la reazione normale vale:

Imponendo che:

Quindi l'estremo superiore vale:

Trave inclinata

Prendiamo la direzione della tensione del cavo e della reazione vincolare della trave come mostrato in figura. Assumiamo che le direzioni siano corrette, se avessimo sbagliato il segno verrebbe negativo. Scomponendo nella direzione orizzontale le forze totali si ha:

Quindi:

Nella direzione verticale:

ma:

Statica e dinamica del punto materiale 14

Due cubi L'equazione del moto del cubo grande è:

mentre di di quello piccolo:

Le due equazioni del moto sono:

Imponendo che:

Quindi:

Piastra con sopra un oggetto Fino a quando il corpo è in moto rispetto alla piastra su di essa agiscono due forze una propulsiva

, eguale e contraria alla forza di attrito radente (se la forza propulsiva è sufficientemente grande) originata dal moto del corpo sulla piastra e la forza di attrito radente che si oppone al moto della piastra sul ripiano

. L'equazione della dinamica per i due corpi sono:

quindi

(per avere moto occorre che sia positivo, come in questo caso, in maniera che sia dominante il termine propulsivo rispetto a quello resistente). Il corpo ha una equazione della velocità:

Si ferma quindi quando:

avendo percorso:

La piastra su cui striscia si muove nella stessa direzione e percorre un tratto:

Statica e dinamica del punto materiale 15

con una velocità:

Il corpo rispetto alla piastra percorre un tratto:

L'equazione della dinamica della piastra quando il corpo si è arrestato diventa:

E si fermano quando:

Quindi la piastra compirà, in totale un tratto:

Automobile Integrando nel tempo l'equazione del moto:

con la condizione che per :

Integrando nel tempo l'espressione della velocità:

Piattaforma ruotante L'attrito tra la piattaforma e l'oggetto deve essere tale da una parte a trattenere lungo la traiettoria l'oggetto che è soggetto ad una forza tangenziale pari a:

mentre la forza di attrito massimo vale:

Tale forza è trascurabile rispetto alla tensione della fune che è la forza centripeta, la quale a causa dell'aumento lineare della velocità angolare è sempre maggiore fino a spezzare la fune. Infatti la fune si spezza quando:

cioè per:

Tale velocità angolare viene raggiunta dopo un tempo:

Statica e dinamica del punto materiale 16

In realtà vi è anche un piccolo effetto dovuto all'attrito statico, dette e , le forze di attrito tangenziali e radiali:

Ma quindi: e di conseguenza:

La velocità angolare viene raggiunta dopo un tempo:

Piano inclinato a) L'equazione del moto nella direzione del piano inclinato vale:

Il moto è decelerato uniformemente con equazione del moto:

dove:

b) Imponendo che:

segue che si ha una equazione di II grado nel tempo:

con soluzione:

Le due soluzioni corrispondono al fatto che se il piano inclinato fosse infinito, il punto materiale arriverebbe una prima volta in e poi supera va alla massima quota e ripassa in discesa in . Chiaramente la seconda soluzione non ha senso fisico in questo caso che il piano inclinato è finito, quindi:

c)Imponendo che:

e

Eliminando segue che:

Ma:

quindi:

Statica e dinamica del punto materiale 17

Oscillazione con elastico Definisco come asse delle l'asse verticale con origine sul soffitto. Detta:

L'equazione di Newton:

La coordinata di equilibrio statico del sistema vale:

Se faccio un cambiamento di coordinate ponendo per origine tale posizione di equilibrio:

L'equazione del moto diviene:

che è l'equazione di un oscillatore armonico con:

la cui soluzione generale è:

Imponendo le condizioni iniziali:

segue che:

Quindi:

Statica e dinamica del punto materiale 18

Pendolo conico elastico La tensione del filo e la forza elastica sono la stessa cosa: in questo caso non si ipotizza che il filo sia inestensibile. La forza elastica per cui si spezza il pendolo vale:

Nel pendolo conico la forza peso compensa esattamente la componente della tensione del filo (in questo caso la forza elastica) nella sua direzione:

D'altro canto la forza centripeta è la componente della tensione del filo (in questo caso la forza elastica):

essendo:

da cui:

Energia meccanica

Esercizi

Pigna Una pietra viene lanciata con una velocità iniziale di 20.0 m/s contro una pigna all'altezza di 5.0 m rispetto al punto di lancio. Trascurando ogni resistenza, calcolare la velocità della pietra quando urta la pigna.

Bumping jumping Il cosiddetto Bungee jumping si ha quando un uomo di massa si appende ad una fune elastica di costante di richiamo elastico inizialmente a riposo e si lascia cadere (con velocità iniziale nulla). Inizia un moto armonico in cui viene prima raggiunta la massima velocità (nel punto di equilibrio tra le forze) ed infine si ha il massimo allungamento della fune . Determinare l'allungamento massimo e la relativa accelerazione, inoltre trovare la massima velocità raggiunta durante il moto. Si trascuri ogni forma di attrito.

(dati del problema , )

Macchina in salita Una automobile, che può schematizzarsi come un punto materiale, viaggia alla velocità , assunto che la forza di attrito viscoso sia (praticamente a tale velocità l'unica forza che si oppone alla forza di trazione del motore). Inoltre si immagini che la macchina debba percorrere un tratto in salita con pendenza (rapporto tra innalzamento e percorso fatto sul tratto orizzontale). Determinare il lavoro (minimo) e la potenza minima del motore per percorrere un tratto .

Energia meccanica 19

( dati del problema , , , , )

Soluzioni

Pigna Detta la velocità finale dalla conservazione dell'energia segue che:

e quindi:

Bumping jumping

Detta la massima elongazione (dove la velocità è nulla) dalla posizione di equilibrio, ponendo l'energia potenziale iniziale (gravitazionale ed elastica) applicando la conservazione della energia meccanica:

La accelerazione in tale punto vale:

La velocità ha un massimo per un allungamento tale che:

Imponendo la conservazione della energia:

Macchina in salita L'altezza da superare vale:

Quindi il lavoro minimo fatto contro la forza di gravità vale:

mentre quello contro la forza di attrito:

Il lavoto totale:

Per percorrere il tratto viene impiegato un tempo:

Energia meccanica 20

Quindi la potenza vale:

Moti relativi

Esercizi

Auto Un'auto parte da ferma con accelerazione uguale a 4 m/s². Si determini quanto tempo impiega a raggiungere la velocità di 120 km/h e quanto spazio percorre durante la fase di accelerazione.

Soluzioni

Auto

Poichè il moto è uniformemente accelerato la velocità è regolata dalla legge .

vale poiché l'auto parte da ferma, si ricava quindi

Inoltre per un moto uniformemente accelerato la legge del moto è . Fissiamo il punto come punto di partenza dell'auto e calcoliamo lo spazio percorso in un tempo

.

Dinamica di sistemi di punti materiali 21

Dinamica di sistemi di punti materiali

Esercizi

Treno Un treno è composto di una motrice e da tre vagoni, ed ha, inizialmente, una accelerazione . Supponiamo che la motrice ed i vagoni abbiano ognuno massa . Determinare: a) la forza motrice della motrice, b) la forza che esercita la motrice sul I vagone, c) la forza che esercita il II vagone sul III. (dati del problema , )

Manubrio Un manubrio è costituito da due masse uguali collegate da una sbarretta di massa trascurabile di lunghezza : supponiamo che inizialmente esso ruoti liberamente intorno ad un asse ortogonale al centro della sbarretta con velocità angolare . Se in virtù di forze interne le due masse vengono avvicinate in maniera da distare alla fine solo dal centro dell'asse di rotazione. Determinare: La velocità angolare finale del sistema ed il lavoro fatto dalle forze interne.

(dati del problema , , )

Blocchi con molla

Su un piano orizzontale sono posti due blocchi di masse ed rispettivamente. Tra i due blocchi, inizialmente fermi, è sistemata una molla, di massa trascurabile, mantenuta compressa con un corto filo di collegamento tra i blocchi. Ad un certo istante il filo viene tagliato ed i due blocchi vengono messi in movimento dalla molla. Si osserva che la velocità acquistata dalla massa è . Determinare l'energia elastica della molla nella configurazione iniziale.

(dati del problema , , , si trascuri l'attrito del piano)

Soluzioni

Treno Il sistema ha un solo grado di libertà, per cui ogni grandezza cinematica o dinamica, può esprimersi come uno scalare nella direzione del moto. Le equazioni del moto sono:

Sommandole:

Dinamica di sistemi di punti materiali 22

Manubrio Dovendosi conservare il momento della quantità di moto:

L'energia cinetica iniziale vale:

Quindi l'energia cinetica aumenta di:

L'aumento di energia cinetica è dovuto alle sole forze interne.

Blocchi con molla Le forze che agiscono sono solo interne quindi essendo nulla la quantità di moto iniziale:

Che è anche l'energia cinetica della massa 2 quindi l'energia cinetica vale:

che coincide con l'energia elastica della molla.

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