La storia dell'Amaldi - Zanichelli
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La storia dell’Amaldi Questo libro è stato scritto nel ricordo di Ugo Amaldi (1875-1957), illustre matematico, uomo di grande fede e magnifico didatta che nel 1904, presso la Zanichelli, pubblicò con Federigo Enriques (1871-1946) gli Elementi di geo- metria, primo di una lunga serie di testi di geometria e analisi usati per più di ottant’anni nelle scuole secondarie di tutta Italia. Cinquant’anni dopo, Ginestra Amaldi ed Edoardo Amaldi pubblicarono, per la Zanichelli, il Corso di fisica – ad uso dei licei scientifici che portava il sot- totitolo rielaborato da un testo di Enrico Fermi, testo che era stato pubblicato, sempre dalla Zanichelli, nel 1929. Ginestra Amaldi (1911-1993), astro- Edoardo Amaldi (1908-1989), scien- noma, ha pubblicato diversi libri di ziato di fama internazionale, è stato divulgazione scientifica rivolti ai gio- collaboratore di Fermi nella scuola di vani. Uno di essi, Questo nostro mon- via Panisperna. Nel dopoguerra ha ri- do, è stato tradotto in cinque lingue. costruito la fisica italiana. Edoardo Amaldi è stato uno dei padri fondatori del CERN (Conseil Eu- ropéen pour la Recherche Nucléaire), il prestigioso centro europeo per la ricerca nucleare, e ha contribuito alla creazione dell’ESA (European Space Agency), l’ente spaziale europeo. Ha dedicato gli ultimi decenni della sua vita alla ricerca delle onde gravitazionali. Dagli anni Cinquanta a oggi il libro di Edoardo e Ginestra ha avuto nume- rose edizioni e rifacimenti completi; io ne sono il solo autore da più di vent’an- ni. Più di due milioni di studenti hanno studiato fisica sulle pagine di questi testi. La nuova edizione presenta una fisica ricca di esempi, di esercizi e di risorse multimediali che parlano dell’esperienza quotidiana, con particolare attenzio- ne alle competenze fondamentali per vivere nel mondo di oggi. È una fisica che vuole stimolare i giovani cittadini ad acquisire una visione scientifica del mondo, attraverso le spiegazioni semplici ma rigorose che hanno contraddi- stinto la storia degli «Amaldi». Ugo Amaldi Ginevra, febbraio 2020 IV
Indice Le dieci cose che devi sapere di matematica 1 Le grandezze fisiche TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Calcolare un’equivalenza 2 18 1 Proprietà misurabili e unità di misura 24 41 2 Risolvere una proporzione 4 18 2 La notazione scientifica 26 42 3 Calcolare una percentuale 5 18 3 Il Sistema Internazionale 4 Leggere una formula 6 19 delle unità di misura 27 44 5 Costruire un grafico cartesiano 8 19 4 L’intervallo di tempo 28 45 6 Riconoscere 5 La lunghezza 29 46 una proporzionalità diretta 10 20 6 La massa 30 47 7 Riconoscere una proporzionalità inversa 12 21 7 L’area 30 48 8 Riconoscere 8 Il volume 32 49 una proporzionalità quadratica 13 22 9 La densità 32 51 9 Risolvere un’equazione 14 22 10 Le dimensioni fisiche 10 Fare i conti delle grandezze 35 52 con le potenze di 10 16 23 FISICA CON LE MANI La densità di un metallo 37 Le formule 39 Test 40 Problemi di riepilogo 53 COMPITO DI REALTÀ La fisica dietro le decisioni Quale automobile ha consumo ed emissioni minori? 56 Sei pronto per la verifica? 57 PROBLEMI MODELLO ■ Unità di lunghezza e unità di area 31 ■ Relazione tra densità, massa e volume 35 Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Video Fisica con le mani • La densità di un metallo • Le oscillazioni del pendolo Scheda Fisica con le mani Le oscillazioni del pendolo Mappa interattiva V
2 La misura 3 I vettori e le forze TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Gli strumenti di misura 58 81 1 Grandezze scalari e vettoriali 98 123 2 L’incertezza delle misure 61 82 2 Le operazioni con i vettori 100 124 3 L’incertezza di una misura singola 64 83 3 Le componenti cartesiane di un vettore 103 126 4 L’incertezza di una misura ripetuta 65 84 4 Le forze 107 128 5 L’analisi statistica dei dati sperimentali 66 86 5 La forza-peso 110 130 6 L’incertezza relativa 69 87 6 La forza elastica 112 131 7 L’incertezza di una misura indiretta 72 88 7 Le forze di attrito 115 133 8 Le cifre significative 74 90 FISICA CON LE MANI La forza di attrito radente 118 9 La verifica sperimentale di una legge fisica 77 93 Le formule 120 Le formule 79 Test 122 Problemi di riepilogo 135 Test 80 Sei pronto per la verifica? 137 Problemi di riepilogo 94 COMPITO DI REALTÀ La fisica dietro le decisioni PROBLEMI MODELLO Quanto crescerà il livello del mare? 96 ■ Scomposizione e addizione di vettori 106 Sei pronto per la verifica? 97 ■ Il valore di g sulla Luna 112 ■ Calcolo dell’allungamento di due molle 114 PROBLEMI MODELLO ■ Calcolo della forza di attrito 117 ■ L’analisi statistica delle misure 71 ■ Calcolo dell’incertezza su misure indirette 73 ■ Calcoli con le cifre significative 76 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Risposte ai Fermati a pensare NellÕeBook Video Fisica con le mani Video Fisica con le mani Simulazioni PhET La traccia di una matita La forza di attrito radente • Somma vettoriale Formule in 3 minuti • Masse e molle: introduzione Scheda Fisica con le mani • Legge di Hooke La traccia di una matita Le forze Mappa interattiva Mappa interattiva VI
4 L’equilibrio dei solidi 5 L’equilibrio dei fluidi TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Il punto materiale e il corpo rigido 138 1 La pressione 184 206 2 L’equilibrio del punto materiale 139 166 2 La legge di Pascal 186 207 3 L’equilibrio su un piano inclinato 141 167 3 La legge di Stevino 189 209 4 Gli effetti delle forze 4 I vasi comunicanti 191 210 su un corpo rigido 145 170 5 La legge di Archimede 193 211 5 Il momento di una forza 148 171 6 La pressione atmosferica 197 213 6 Il momento di una coppia di forze 152 173 FISICA CON LE MANI 7 L’equilibrio di un corpo rigido 153 175 Il galleggiamento 201 8 Le leve 154 176 Le formule 203 9 Il baricentro 156 178 Test 205 FISICA CON LE MANI Problemi di riepilogo 215 Equilibrio di una gruccia 160 Sei pronto per la verifica? 217 Le formule 162 PROBLEMI MODELLO Test 165 ■ Il torchio idraulico 188 Problemi di riepilogo 180 ■ La legge di Archimede 195 Sei pronto per la verifica? 183 PROBLEMI MODELLO ■ La scomposizione della forza-peso 144 ■ L’effetto di due forze parallele e concordi applicate a un corpo rigido 147 ■ Il calcolo del momento di una forza 151 ■ Calcolo della posizione del baricentro 159 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Nell’eBook Risposte ai Fermati a pensare Nell’eBook Video Fisica con le mani Simulazione PhET Video Fisica con le mani Simulazione PhET Equilibrio di una gruccia Leve Il galleggiamento In pressione Mappa interattiva Formule in 3 minuti La pressione Mappa interattiva VII
6 La velocità 7 L’accelerazione TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Il punto materiale in movimento 218 244 1 L’accelerazione media e istantanea 262 287 2 La velocità media e istantanea 220 244 FISICA & MATEMATICA La velocità è una funzione del tempo 267 3 Formule inverse: quanta strada, quanto tempo 223 246 2 Il grafico velocità-tempo 268 288 4 Il grafico spazio-tempo 225 248 3 Il moto uniformemente accelerato con velocità iniziale nulla 271 291 5 Il moto rettilineo uniforme 229 252 4 Il moto uniformemente accelerato 6 Grafici spazio-tempo con partenza in velocità 276 293 e velocità-tempo 234 255 5 Il lancio verticale verso l’alto 280 295 FISICA CON LE MANI Il moto del supermagnete 239 6 Alcuni grafici spazio-tempo e velocità-tempo 283 297 Le formule 241 Test 243 Le formule 284 Problemi di riepilogo 258 Test 286 COMPITO DI REALTÀ La fisica dietro le decisioni Problemi di riepilogo 299 Che cosa possiamo fare affinché solo un terzo dei ghiacciai fonda? 260 Sei pronto per la verifica? 301 Sei pronto per la verifica? 261 PROBLEMI MODELLO ■ Ricavare l’accelerazione PROBLEMI MODELLO dal grafico velocità-tempo 271 ■ Il grafico spazio-tempo ■ Calcolo dell’accelerazione nel moto del moto di una bicicletta 227 uniformemente accelerato ■ La legge oraria con velocità iniziale nulla 275 del moto rettilineo uniforme 233 ■ Calcolo dell’accelerazione nel moto ■ Ricavare il grafico spazio-tempo uniformemente accelerato dal grafico velocità-tempo 238 con partenza in velocità 279 ■ Lancio verticale verso l’alto 282 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Risposte ai Fermati a pensare Mappa interattiva Video Fisica con le mani Video Fisica con le mani Il moto del supermagnete Il disco a cuscino d’aria Animazioni interattive accelerato • La velocità nel moto Scheda Fisica con le mani rettilineo uniforme Il disco a cuscino d’aria • La pendenza del grafico accelerato spazio-tempo Animazione interattiva Formule in 3 minuti Accelerazione e velocità La velocità Formule in 3 minuti Mappa interattiva L’accelerazione VIII
8 I moti nel piano 9 I principi della dinamica TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Il vettore posizione 1 Il primo principio della dinamica 338 354 e il vettore spostamento 302 324 2 I sistemi di riferimento inerziali 340 355 2 Il vettore velocità e il vettore accelerazione 304 325 3 Forza, accelerazione e massa 342 355 3 La composizione dei moti 306 327 4 Il secondo principio della dinamica 344 356 4 Il moto circolare uniforme 308 328 5 Le proprietà della forza-peso 348 359 5 L’accelerazione centripeta 312 330 6 Il terzo principio della dinamica 349 360 6 Il moto armonico 314 332 Le formule 352 FISICA CON LE MANI Test 353 Un vassoio girevole 318 Problemi di riepilogo 362 Le formule 320 Sei pronto per la verifica? 365 Test 323 PROBLEMI MODELLO Problemi di riepilogo 335 ■ Calcolo della portanza e della forza di attrito su un aereo 346 Sei pronto per la verifica? 337 ■ Che cosa misura una bilancia? 349 PROBLEMI MODELLO ■ Applicazione del terzo principio ■ Operazioni tra vettori in componenti 305 della dinamica 351 ■ La composizione dei moti in due dimensioni 308 ■ Il grafico spazio-tempo del moto armonico 317 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Risposte ai Fermati a pensare Formule in 3 minuti Video Fisica con le mani Video Fisica con le mani • Le forze Un vassoio girevole Il disco a cuscino d’aria e il • F = ma Animazioni interattive secondo principio della dinamica Mappa interattiva • La composizione dei moti Scheda Fisica con le mani • Il moto circolare uniforme NellÕeBook Il disco a cuscino d’aria e il • Il moto armonico secondo principio della dinamica Simulazione PhET Formule in 3 minuti Forze e moto: le basi Animazioni interattive • La velocità • La legge fondamentale • L’accelerazione della dinamica Mappa interattiva • Il terzo principio della dinamica IX
10 Le forze e il movimento 11 L’energia TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Il moto attraverso un fluido 366 386 1 Il lavoro 398 422 2 La caduta lungo un piano inclinato 368 386 2 La potenza 403 424 3 Il moto dei proiettili 371 388 3 L’energia cinetica 405 425 4 La forza centripeta 376 391 4 L’energia potenziale gravitazionale 408 426 5 Moti armonici: la molla e il pendolo 377 393 5 L’energia potenziale elastica 410 427 FISICA CON LE MANI 6 La conservazione Il moto parabolico della pallina 381 dell’energia meccanica 412 428 Le formule 383 7 La conservazione Test 385 dell’energia totale 415 430 Problemi di riepilogo 395 FISICA CON LE MANI L’energia potenziale della forza-peso Sei pronto per la verifica? 397 si trasforma in energia cinetica 417 PROBLEMI MODELLO Le formule 419 ■ Moto lungo un piano inclinato con attrito 370 Test 421 ■ Lancio con velocità iniziale orizzontale 373 Problemi di riepilogo 431 ■ La quota massima raggiunta da un proiettile 375 Sei pronto per la verifica? 433 PROBLEMI MODELLO ■ Il lavoro di una forza costante 402 ■ Applicazione del teorema dell’energia cinetica 407 ■ Conservazione dell’energia meccanica per un corpo che cambia quota 413 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Nell’eBook Risposte ai Fermati a pensare Formule in 3 minuti Video Fisica con le mani Simulazione PhET Video Fisica con le mani • Il lavoro Il moto parabolico della pallina Moto del proiettile L’energia potenziale della • La potenza forza-peso si trasforma in • L’energia cinetica Mappa interattiva • L’energia potenziale della energia cinetica forza-peso Animazioni interattive • L’energia cinetica e il lavoro Mappa interattiva • L’energia meccanica si conserva Nell’eBook Simulazione PhET Energia con lo skateboard: concetti base X
12 La temperatura e il calore 13 La luce TEORIA ESERCIZI TEORIA ESERCIZI 1 Il termometro 1 I raggi luminosi 468 494 e le scale di temperatura 434 458 2 La riflessione della luce 470 494 2 La dilatazione termica 437 458 3 Gli specchi sferici 472 495 3 Calore e lavoro 441 460 4 La rifrazione della luce 478 498 4 Capacità termica e calore specifico 443 461 5 La riflessione totale 481 501 5 Il calorimetro 445 462 6 Le lenti 483 502 6 I passaggi tra stati di aggregazione 447 463 7 Alcuni strumenti ottici 486 504 FISICA CON LE MANI La dilatazione dell’acqua 452 8 L’occhio 489 504 Le formule 454 Le formule 490 Test 457 Test 493 Problemi di riepilogo 465 Problemi di riepilogo 505 COMPITO DI REALTÀ La fisica dietro le decisioni Sei pronto per la verifica? 506 Pannelli solari termici per scaldare l’acqua di casa? 466 Sei pronto per la verifica? 467 PROBLEMI MODELLO ■ Calcolo dell’ingrandimento PROBLEMI MODELLO di uno specchio sferico 477 ■ La dilatazione volumica di un solido 440 ■ Applicazione della legge di Snell 480 ■ Il calore scambiato in un calorimetro 446 ■ Il calore necessario per vaporizzare un solido 451 Indice analitico 507 Risorse multimediali Risorse multimediali Risposte ai Fermati a pensare Risposte ai Fermati a pensare NellÕeBook Video Fisica con le mani Video Fisica con le mani Simulazioni PhET La dilatazione dell’acqua Gli occhiali del nonno • Rifrazione della luce Animazioni interattive • Visione dei colori Scheda Fisica con le mani • La temperatura Gli occhiali del nonno e la scala Celsius • I passaggi di stato Formule in 3 minuti La legge di Snell per la rifrazione Formule in 3 minuti La temperatura Mappa interattiva Mappa interattiva XI
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