Presentazione
Prefazione metodologica
0 Matematica per la fisica
0.1 Introduzione motivazionale
0.2 Notazione scientifica e potenze di 10
0.3 Calcoli con le potenze di 10
0.4 Equivalenze e prefissi
0.5 Rapporti, proporzioni, percentuali
0.6 Proporzionalità diretta, inversa, quadratica
0.7 Formule inverse
0.8 Grafici cartesiani per la fisica
0.9 Uso della calcolatrice scientifica
0.10 Esercizi proposti
1 Grandezze fisiche e misure
1.1 Il metodo sperimentale
1.1.1 Osservazione, modello, esperimento
1.1.2 Definizione operativa di grandezza fisica
1.1.3 Dalle misure ai concetti fisici
1.2 Il Sistema Internazionale di unità
1.2.1 Grandezze fondamentali e grandezze derivate
1.2.2 Multipli, sottomultipli e prefissi
1.2.3 Conversioni tra unità di misura
1.2.4 Analisi dimensionale come strumento di controllo
1.3 Notazione scientifica e ordini di grandezza
1.3.1 Dalla notazione decimale alla notazione scientifica
1.3.2 Operazioni in notazione scientifica
1.3.3 Cifre significative e arrotondamenti
1.3.4 Stima degli ordini di grandezza
1.4 Misura e incertezza
1.4.1 Strumenti di misura: portata, sensibilità, precisione
1.4.2 Errori sistematici ed errori casuali
1.4.3 Incertezza assoluta e incertezza relativa
1.4.4 Propagazione dell’incertezza nelle operazioni
1.5 Grafici e rappresentazione dei dati
1.5.1 Costruzione e interpretazione dei grafici
1.5.2 Proporzionalità diretta, inversa, quadratica
1.5.3 Linearizzazione di leggi non lineari
1.6 Esempi svolti
1.7 Esercizi proposti
1.8 Riepilogo del capitolo
2 Vettori e operazioni vettoriali
2.1 Grandezze scalari e grandezze vettoriali
2.1.1 Distinzione tra grandezze scalari e vettoriali
2.1.2 Rappresentazione grafica di un vettore
2.1.3 Modulo, direzione, verso, punto di applicazione
2.2 Componenti cartesiane
2.2.1 Scomposizione di un vettore lungo gli assi
2.2.2 Composizione di vettori a partire dalle componenti
2.2.3 Versori i j k
2.3 Operazioni con i vettori
2.3.1 Somma e differenza con il metodo grafico
2.3.2 Somma e differenza per componenti
2.3.3 Prodotto di un vettore per uno scalare
2.4 Prodotti tra vettori
2.4.1 Prodotto scalare e suo significato geometrico
2.4.2 Prodotto vettoriale e regola della mano destra
2.5 Risoluzione di problemi con grandezze fisiche
2.5.1 Strategie di impostazione algebrica prima del calcolo
2.5.2 Scomposizione lungo direzioni privilegiate
2.5.3 Verifiche dimensionali e di plausibilità
3 Cinematica del punto materiale
3.1 Modello del punto materiale e sistema di riferimento
3.1.1 Idealizzazione di un corpo come punto materiale
3.1.2 Sistema di riferimento e scelta dell’origine
3.1.3 Posizione traiettoria spostamento
3.2 Velocità e accelerazione
3.2.1 Velocità media e velocità istantanea
3.2.2 Accelerazione media e accelerazione istantanea
3.2.3 Velocità e accelerazione come grandezze vettoriali
3.3 Moto rettilineo uniforme
3.3.1 Legge oraria del moto uniforme
3.3.2 Grafici spazio-tempo e velocità-tempo
3.3.3 Problemi di incontro e di inseguimento
3.4 Moto rettilineo uniformemente accelerato
3.4.1 Legge della velocità e legge oraria
3.4.2 Equazione senza il tempo
3.4.3 Interpretazione delle aree nel grafico v-t
3.5 Moti notevoli sotto gravità
3.5.1 Moto di caduta dei gravi
3.5.2 Moto lungo un piano inclinato liscio
3.5.3 Lancio verticale verso l’alto
3.6 Introduzione cinematica al moto armonico
3.6.1 Moto periodico e moto armonico
3.6.2 Periodo, frequenza, ampiezza, fase iniziale
4 Ottica geometrica
4.1 Propagazione della luce
4.1.1 Sorgenti luminose e raggi
4.1.2 Propagazione rettilinea della luce
4.1.3 Ombra penombra eclissi
4.2 Riflessione
4.2.1 Leggi della riflessione
4.2.2 Specchi piani e formazione delle immagini
4.2.3 Specchi sferici concavi e convessi
4.3 Rifrazione
4.3.1 Indice di rifrazione di un mezzo
4.3.2 Legge di Snell-Cartesio
4.3.3 Riflessione totale e angolo limite
4.4 Formalizzazione matematica dell’ottica geometrica
4.4.1 Equazione dei punti coniugati
4.4.2 Ingrandimento lineare
4.4.3 Costruzione grafica delle immagini
4.5 Strumenti ottici
4.5.1 Lenti sottili convergenti e divergenti
4.5.2 Costruzione di strumenti ottici semplici
4.5.3 L’occhio umano come sistema ottico
5 Termologia: temperatura ed equilibrio termico
5.1 Sistemi termici e interazioni
5.1.1 Interazioni fra sistemi fisici come cambiamento di stato
5.1.2 Stato macroscopico di un sistema
5.1.3 Variabili di stato e loro misurabilità
5.2 La temperatura
5.2.1 Definizione operativa di temperatura
5.2.2 Termometri e taratura
5.2.3 Equilibrio termico come processo di interazione
5.2.4 Principio zero della termodinamica
5.3 Scale termometriche
5.3.1 Scala Celsius
5.3.2 Scala Kelvin temperatura assoluta
5.3.3 Conversioni tra scale e zero assoluto
6 Dinamica del punto materiale
6.1 Sistemi di riferimento inerziali
6.1.1 Definizione di sistema di riferimento inerziale
6.1.2 Sistemi non inerziali
6.2 Le tre leggi della dinamica
6.2.1 Prima legge: principio d’inerzia
6.2.2 Seconda legge: F = ma
6.2.3 Terza legge: principio di azione e reazione
6.3 Forze e descrizione delle interazioni
6.3.1 Forza-peso e accelerazione di gravità
6.3.2 Reazione vincolare e tensione
6.3.3 Forza elastica e legge di Hooke
6.3.4 Effetti dell’attrito sul moto dei corpi
6.3.5 Attrito statico e attrito dinamico
6.4 Statica del punto materiale
6.4.1 Condizioni di equilibrio statico
6.4.2 Equilibrio sul piano inclinato
6.4.3 Diagrammi di corpo libero
7 Relatività galileiana
7.1 Principio di relatività
7.1.1 Principio di relatività galileiana
7.1.2 Esperimenti meccanici e sistemi inerziali
7.2 Trasformazioni di Galilei
7.2.1 Trasformazioni della posizione
7.2.2 Trasformazioni della velocità composizione classica
7.2.3 Invarianza dell’accelerazione
7.3 Applicazioni
7.3.1 Moto relativo: barca-corrente e aereo-vento
7.3.2 Limiti del modello: anticipazione della relatività ristretta
8 Lavoro ed energia
8.1 Lavoro di una forza
8.1.1 Definizione di lavoro per forza costante
8.1.2 Lavoro come prodotto scalare
8.1.3 Lavoro di una forza variabile
8.1.4 Potenza media e istantanea
8.2 Energia cinetica
8.2.1 Definizione di energia cinetica
8.2.2 Teorema delle forze vive energia-lavoro
8.3 Forze conservative ed energia potenziale
8.3.1 Forze conservative e forze non conservative
8.3.2 Energia potenziale gravitazionale locale
8.3.3 Energia potenziale elastica
8.4 Conservazione dell’energia meccanica
8.4.1 Principio di conservazione dell’energia meccanica
8.4.2 Sistemi con sole forze conservative
8.4.3 Effetto delle forze dissipative
9 Quantità di moto urti e momento angolare
9.1 Quantità di moto e impulso
9.1.1 Definizione di quantità di moto
9.1.2 Impulso di una forza
9.1.3 Teorema dell’impulso
9.2 Conservazione della quantità di moto
9.2.1 Sistemi isolati e principio di conservazione
9.2.2 Applicazioni: rinculo e propulsione a reazione
9.2.3 Esplosioni e separazioni
9.3 Urti
9.3.1 Classificazione degli urti
9.3.2 Urti elastici unidimensionali
9.3.3 Urti completamente anelastici
9.3.4 Urti in due dimensioni
9.4 Momento angolare
9.4.1 Momento della quantità di moto momento angolare
9.4.2 Momento di una forza
9.4.3 Conservazione del momento angolare
Esercizi proposti
10 Meccanica dei fluidi
10.1 Introduzione motivazionale
10.2 Modello del fluido ideale
10.2.1 Densità e peso specifico
10.2.2 Definizione di pressione
10.2.3 Ipotesi del modello di fluido ideale
10.3 Statica dei fluidi
10.3.1 Pressione idrostatica
10.3.2 Legge di Stevino e vasi comunicanti
10.3.3 Principio di Pascal e torchio idraulico
10.3.4 Principio di Archimede
10.3.5 Galleggiamento e affondamento
10.3.6 Peso apparente e pressione atmosferica
10.4 Dinamica dei fluidi ideali
10.4.1 Portata e regimi di moto
10.4.2 Equazione di continuità
10.4.3 Teorema di Bernoulli
10.4.4 Applicazioni del teorema di Bernoulli
10.5 Esempi svolti
10.6 Esercizi proposti
10.7 Riepilogo del capitolo
11 Oscillazioni e onde meccaniche
11.1 Introduzione motivazionale
11.2 L’oscillatore armonico
11.2.1 Sistema massa-molla come oscillatore armonico
11.2.2 Equazione del moto armonico
11.2.3 Periodo, frequenza, ampiezza, fase
11.2.4 Energia dell’oscillatore armonico
11.2.5 Pendolo semplice
11.3 Onde meccaniche
11.3.1 Propagazione di un’oscillazione in un mezzo
11.3.2 Onde longitudinali e onde trasversali
11.3.3 Lunghezza d’onda, periodo, velocità di propagazione
11.3.4 Equazione dell’onda armonica
11.4 Onde acustiche
11.4.1 Natura delle onde acustiche
11.4.2 Velocità del suono nei diversi mezzi
11.4.3 Caratteristiche del suono: altezza, intensità, timbro
11.5 Fenomeni ondulatori
11.5.1 Interferenza come fenomeno ondulatorio caratteristico
11.5.2 Interferenza costruttiva e distruttiva
11.5.3 Battimenti
11.6 Esempi svolti
11.7 Esercizi proposti
11.8 Riepilogo del capitolo
12 Termodinamica
12.1 Sistema termodinamico e processi
12.1.1 Sistema, ambiente, universo termodinamico
12.1.2 Sistemi aperti chiusi e isolati
12.1.3 Processi reversibili e irreversibili
12.2 Calore ed energia interna
12.2.1 Calore come scambio di energia
12.2.2 Capacità termica e calore specifico
12.2.3 Calorimetria
12.2.4 Energia interna di un sistema
12.3 Primo principio della termodinamica
12.3.1 Enunciato del primo principio
12.3.2 Lavoro termodinamico
12.3.3 Convenzioni sui segni di Q e L
12.4 Il gas ideale
12.4.1 Modello del gas ideale
12.4.2 Equazione di stato dei gas perfetti
12.4.3 Trasformazioni isobara, isocora, isoterma
12.4.4 Trasformazione adiabatica
12.4.5 Trasformazioni cicliche
12.5 Secondo principio della termodinamica
12.5.1 Enunciati di Kelvin e di Clausius
12.5.2 Macchine termiche e rendimento
12.5.3 Ciclo di Carnot
12.5.4 Entropia e variazione di entropia dell’universo
Formulario di termodinamica
13 Gravitazione
13.1 Introduzione motivazionale
13.2 La legge di gravitazione universale
13.2.1 Legge di gravitazione universale di Newton
13.2.2 La costante G e la misura di Cavendish
13.2.3 Forza-peso come caso particolare
13.3 Le leggi di Keplero
13.3.1 Prima legge di Keplero (orbite ellittiche)
13.3.2 Seconda legge di Keplero (legge delle aree)
13.3.3 Terza legge di Keplero (periodi e raggi)
13.4 Energia nel campo gravitazionale
13.4.1 Energia potenziale gravitazionale
13.4.2 Energia totale e tipi di orbita
13.4.3 Velocità di fuga
13.5 Esempi svolti
13.6 Esercizi proposti
13.7 Riepilogo del capitolo
14 Elettrostatica e campo elettrico
14.1 Introduzione motivazionale
14.2 La carica elettrica
14.2.1 Carica elettrica e sua conservazione
14.2.2 Conduttori e isolanti
14.2.3 Elettrizzazione: strofinio, contatto, induzione
14.3 La legge di Coulomb
14.3.1 Forza di Coulomb tra cariche puntiformi
14.3.2 Costante dielettrica e mezzi materiali
14.3.3 Confronto tra forza di Coulomb e gravitazionale
14.4 Il concetto di campo
14.4.1 Dal contatto al campo
14.4.2 Campo elettrico
14.4.3 Campo gravitazionale come analogo
14.4.4 Linee di campo
14.5 Teorema di Gauss
14.5.1 Flusso di un campo vettoriale
14.5.2 Teorema di Gauss per il campo elettrico
14.5.3 Teorema di Gauss per il campo gravitazionale
14.5.4 Applicazioni a distribuzioni simmetriche
14.6 Potenziale elettrico
14.6.1 Energia potenziale elettrica
14.6.2 Potenziale elettrico e differenza di potenziale
14.6.3 Superfici equipotenziali
14.7 Esempi svolti
14.8 Esercizi proposti
14.9 Riepilogo del capitolo
15 Corrente elettrica e circuiti
15.1 Introduzione motivazionale
15.2 La corrente elettrica
15.2.1 Definizione di intensità di corrente
15.2.2 Forza elettromotrice
15.2.3 Differenza di potenziale e circuiti
15.3 Le leggi di Ohm
15.3.1 Prima legge di Ohm
15.3.2 Resistenza elettrica e seconda legge di Ohm
15.3.3 Resistori in serie e in parallelo
15.3.4 Effetto Joule e potenza dissipata
15.4 Esempi svolti
15.5 Esercizi proposti
15.6 Riepilogo del capitolo
16 Magnetismo
16.1 Introduzione motivazionale
16.2 Il campo magnetico
16.2.1 Definizione e proprietà del campo magnetico
16.2.2 Linee del campo magnetico
16.2.3 Assenza di monopoli magnetici
16.3 Sorgenti del campo magnetico
16.3.1 Campo magnetico generato da cariche in moto
16.3.2 Campo magnetico di correnti stazionarie
16.4 Forze magnetiche
16.4.1 Forza di Lorentz su cariche in moto
16.4.2 Moto di cariche in un campo magnetico
16.4.3 Forza su un conduttore percorso da corrente
16.5 Esempi svolti
16.6 Esercizi proposti
16.7 Riepilogo del capitolo
17 Induzione elettromagnetica
17.1 Introduzione motivazionale
17.2 Il fenomeno dell’induzione
17.2.1 Esperienze di Faraday
17.2.2 Legge di Faraday-Neumann
17.2.3 Legge di Lenz
17.3 Applicazioni dell’induzione
17.3.1 Alternatore
17.3.2 Trasformatore
17.3.3 Correnti parassite (Foucault)
17.4 Verso le equazioni di Maxwell
17.4.1 Legame fra campi elettrici e magnetici variabili
17.4.2 Corrente di spostamento
17.4.3 Equazioni di Maxwell: sintesi
17.5 Esempi svolti
17.6 Esercizi proposti
17.7 Riepilogo del capitolo
18 Onde elettromagnetiche
18.1 Introduzione motivazionale
18.2 Natura delle onde elettromagnetiche
18.2.1 Onde elettromagnetiche nel vuoto
18.2.2 Velocità di propagazione delle onde EM
18.2.3 Trasversalità delle onde EM
18.3 Caratteristiche delle onde EM
18.3.1 Polarizzazione
18.3.2 Intensità delle onde EM
18.3.3 Frequenza e lunghezza d’onda
18.4 Lo spettro elettromagnetico
18.4.1 Bande dello spettro EM
18.4.2 La luce visibile e la percezione dei colori
18.4.3 Sorgenti e applicazioni delle diverse bande
18.5 Esempi svolti
18.6 Esercizi proposti
18.7 Riepilogo del capitolo
19 Relatività ristretta
19.1 Introduzione motivazionale
19.2 Crisi della fisica classica
19.2.1 Problema dell’etere e velocità della luce
19.2.2 Invarianza della velocità della luce nel vuoto
19.2.3 Postulati della relatività ristretta
19.3 Cinematica relativistica
19.3.1 Tempo proprio e lunghezza propria
19.3.2 Fattore relativistico \(\gamma \)
19.3.3 Dilatazione dei tempi
19.3.4 Contrazione delle lunghezze
19.3.5 Simultaneità relativa
19.4 Trasformazioni di Lorentz
19.4.1 Trasformazioni di Lorentz
19.4.2 Composizione relativistica delle velocità
19.5 Dinamica relativistica
19.5.1 Quantità di moto ed energia relativistiche
19.5.2 Equivalenza massa-energia: \(E = m\,c^2\)
19.5.3 Implicazioni: nucleare, particelle, cosmologia
19.6 Esempi svolti
19.7 Esercizi proposti
19.8 Riepilogo del capitolo
20 Termodinamica statistica
20.1 Atomi, molecole e quantità di sostanza
20.1.1 La mole e il numero di Avogadro
20.1.2 Unità di massa atomica e nucleoni in un grammo
20.1.3 Ordini di grandezza
20.2 Il gas ideale dal punto di vista microscopico
20.2.1 Ipotesi del modello cinetico
20.2.2 Derivazione cinetica della pressione
20.2.3 Energia cinetica media e temperatura microscopica
20.2.4 Velocità quadratica media
20.3 L’approccio statistico di Boltzmann
20.3.1 Microstati e macrostati
20.3.2 Probabilità termodinamica di stato
20.4 Interpretazione microscopica delle grandezze termodinamiche
20.4.1 Entropia di Boltzmann S = kB ln W
20.4.2 Equipartizione dell’energia
20.5 Distribuzioni statistiche
20.5.1 Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
20.5.2 Velocità tipiche delle molecole di un gas
20.6 Altri esempi svolti
Formulario
Autoverifica 1 — in ordine
Autoverifica 2 — mischiate (I)
Autoverifica 3 — mischiate (II)
21 Crisi della fisica classica e nascita della meccanica quantistica
21.1 Introduzione motivazionale
21.2 La scoperta delle particelle subatomiche
21.2.1 Tubi a raggi catodici e gli esperimenti di Thomson
21.2.2 Scoperta dell’elettrone: la carica di Millikan
21.2.3 Scoperta dei raggi X
21.3 La radiazione termica
21.3.1 Spettro del corpo nero
21.3.2 La catastrofe ultravioletta
21.3.3 Quantizzazione dell’energia: la costante di Planck
21.4 La natura corpuscolare della luce
21.4.1 Effetto fotoelettrico
21.4.2 Interpretazione di Einstein
21.4.3 Effetto Compton
21.5 Concetti fondamentali della meccanica quantistica
21.5.1 Dualismo onda-particella
21.5.2 Principio di indeterminazione di Heisenberg
21.5.3 Misura e interpretazione di Copenaghen
21.6 Esempi svolti
21.7 Esercizi proposti
21.8 Riepilogo del capitolo
22 Fisica atomica e nucleare
22.1 Introduzione motivazionale
22.2 Modelli atomici
22.2.1 Modello di Thomson (“a panettone”)
22.2.2 Esperimento di Rutherford e scoperta del nucleo
22.2.3 Modello atomico di Bohr
22.2.4 Storia dei modelli atomici e modello moderno
22.3 Spettri atomici e transizioni
22.3.1 Spettri di emissione e di assorbimento
22.3.2 Transizioni fra stati elettronici
22.3.3 Serie spettrali dell’idrogeno e formula di Rydberg
22.4 Elementi di fisica atomica
22.4.1 Struttura elettronica e numeri quantici
22.4.2 Principio di esclusione di Pauli
22.5 Elementi di fisica nucleare
22.5.1 Struttura del nucleo: protoni e neutroni
22.5.2 Difetto di massa ed energia di legame
22.5.3 Decadimenti \(\alpha \), \(\beta \), \(\gamma \)
22.5.4 Fissione e fusione nucleare
22.6 Applicazioni nucleari
22.6.1 Energia nucleare e reattori
22.6.2 Applicazioni in campo sanitario
22.6.3 Applicazioni ai beni culturali
22.7 Esempi svolti
22.8 Esercizi proposti
22.9 Riepilogo del capitolo
23 Astrofisica e cosmologia
23.1 Introduzione motivazionale
23.2 Struttura ed evoluzione delle stelle
23.2.1 Struttura interna di una stella
23.2.2 Reazioni nucleari nelle stelle e nucleosintesi
23.2.3 Diagramma di Hertzsprung-Russell ed evoluzione stellare
23.3 Modelli cosmologici
23.3.1 Espansione dell’universo e legge di Hubble
23.3.2 Modello del Big Bang
23.3.3 Radiazione cosmica di fondo
23.4 Esempi svolti
23.5 Esercizi proposti
23.6 Riepilogo del capitolo
24 Sistemi complessi e fenomeni emergenti
24.1 Introduzione motivazionale
24.2 Auto-organizzazione
24.2.1 Auto-organizzazione nei sistemi fisici
24.2.2 Strutture dissipative
24.3 Emergenza e caos
24.3.1 Fenomeni emergenti
24.3.2 Sensibilità alle condizioni iniziali e caos deterministico
24.3.3 Esempi: pendolo doppio, atmosfera, ecosistemi
24.4 Esempi svolti
24.5 Esercizi proposti
24.6 Riepilogo del capitolo
25 Fisica e temi contemporanei
25.1 Introduzione motivazionale
25.2 Fisica e intelligenza artificiale
25.2.1 Meccanica statistica e apprendimento automatico
25.2.2 Reti neurali e analogie con sistemi fisici
25.2.3 Validazione dei modelli scientifici nell’era dell’IA
25.2.4 IA e gestione dell’informazione scientifica
25.3 Fisica del clima
25.3.1 Trasferimento radiativo nel sistema sole-terra-atmosfera
25.3.2 Effetto serra e cambiamento climatico
25.3.3 Fattori che determinano il clima terrestre
25.4 Calcolo quantistico
25.4.1 Introduzione concettuale al calcolo quantistico
25.4.2 Qubit, sovrapposizione, entanglement
25.4.3 Prospettive applicative
25.5 Esempi svolti
25.6 Esercizi proposti
25.7 Riepilogo del capitolo
26 Statica ed equilibrio dei corpi rigidi
26.1 Il corpo rigido e il momento di una forza
26.1.1 Il modello di corpo rigido
26.1.2 Momento di una forza
26.1.3 Segno del momento e coppia di forze
26.2 Le condizioni di equilibrio del corpo rigido
26.3 Le leve
26.4 Baricentro e tipi di equilibrio
26.5 Esempi svolti
26.6 Esercizi proposti
Formulario
Costanti fisiche fondamentali
Simboli, unità di misura e conversioni
Indice incrociato
Per area tematica
Per classe scolastica
Per numero di capitolo (ordine del libro)