giuseppina trifiletti
MECCANICA CLASSICA
La meccanica classica descrive in modo sostanzialmente
accurato gran parte dei fenomeni meccanici osservabili
direttamente nella nostra vita quotidiana. Si osserva invece
una considerevole discrepanza fra le previsioni della
meccanica classica e gli esperimenti sia per sistemi nei
quali le velocità in gioco sono paragonabili con la velocità
della luce e sia per sistemi di dimensioni spaziali
paragonabili a quelle atomiche o molecolari (per i quali la
costante fondamentale con cui confrontarsi è la costante di
Planck (6,6.10-34Js). In questi casi la meccanica classica
viene
sostituita
rispettivamente
dalla
meccanica
relativistica e dalla meccanica quantistica.
Principi della meccanica Newtoniana
Principio di Relatività: "Le leggi fisiche sono invarianti
in tutti i sistemi di riferimento inerziali", cioè "le leggi
fisiche sono invarianti per trasformazioni galileiane".
La relatività generale usa invece come assunto un
principio di relatività più generale, cioè che le leggi
fisiche sono invarianti in ogni sistema di riferimento.
Principio di inerzia (primo principio della dinamica): "In
un sistema inerziale, un corpo libero, cioè non
sottoposto ad alcuna forza, dotato ad un certo istante di
una certa velocità v, mantiene indefinitivamente il suo
stato di moto rettilineo e uniforme". Questo principio è in
realtà una conseguenza del principio di relatività, ma non
vale il viceversa.
Secondo principio della dinamica: "Una forza impressa ad un
corpo produce una variazione della sua quantità di moto
proporzionale alla forza e nella sua stessa direzione", cioè . Nel
caso di masse costanti il secondo principio ha una formulazione
ridotta, che è quella più nota: "L'accelerazione di un corpo è
direttamente proporzionale alla forza da esso subita". La costante di
proporzionalità tra la forza e l'accelerazione è proprio la massa
inerziale del corpo. In simboli questo principio si riassume nella nota
formula .
Terzo principio della dinamica: in un sistema di riferimento
inerziale, la quantità di moto e il momento angolare totale rispetto
ad un polo fisso di un sistema materiale libero (cioè non sottoposto
a forze esterne) si conservano. Da ciò discende il principio di
azione e reazione:ad ogni azione corrisponde una reazione, uguale
e contraria, agente sulla stessa retta di applicazione.
Questa non è l'unica formulazione dei principi della meccanica
newtoniana, ma ce ne sono altre perfettamente equivalenti.
TERMODINAMICA
La termodinamica è quel ramo della fisica che studia il calore ed i
suoi fenomeni ed in particolar modo il comportamento dei gas,
cioè sistemi che contengono un numero enormemente alto di
particelle. Così come la dinamica studia le cause del moto dei
corpi, la termodinamica descrive il comportamento dei gas dal
punto di vista macroscopico: l’insieme delle particelle che lo
formano.
La storia della termodinamica non è legata a scoperte scientifiche,
individuazione di leggi fisiche e principi ma a tutta una serie di
innovazioni tecnologiche che sfruttavano conoscenze empiriche
del calore. L’invenzione della macchina a vapore ed i successivi
tentativi per migliorarne le prestazioni impongono alla fisica lo
studio del calore con tutto quello che ne consegue. Per arrivare
all’invenzione della macchina a vapore il cammino è tortuoso e
tocca varie branche della fisica e si dipana, in un certo qual
modo, attraverso i secoli.
ELETTRICITÀ
• La proprietà dell'ambra strofinata di attirare oggetti
leggeri era probabilmente già nota al filosofo greco
Talete di Mileto, intorno al 600 a.C.
Negli scritti di
Teofrasto, che risalgono a tre secoli dopo, vengono citati
altri materiali che godono della stessa proprietà.
Tuttavia il primo studio scientifico dei fenomeni elettrici e
magnetici apparve solo nel 1600 d.C., quando furono
pubblicate le ricerche del fisico britannico William Gilbert.
• A sua volta, nel corso del famoso esperimento con
l'aquilone, Benjamin Franklin provò che l'elettricità
atmosferica, responsabile della produzione dei tuoni e dei
fulmini, è identica alla carica elettrostatica di una bottiglia
di Leida.
• Franklin elaborò una teoria secondo la quale l'elettricità
sarebbe un "fluido" presente in tutta la materia,
ipotizzando così che i due stati di elettrizzazione di un
corpo sarebbero dovuti all'eccesso o alla carenza di tale
fluido.
• La legge secondo cui la forza esercitata tra cariche
elettriche è proporzionale all'inverso del quadrato della
loro distanza fu provata sperimentalmente intorno al 1766
dal chimico britannico Joseph Priestley.
• La teoria elettronica, che è la base della moderna
teoria dell'elettricità, fu enunciata nel 1892 dal
fisico danese Hendrik Antoon Lorentz, mentre la
prima misura accurata della carica dell'elettrone
fu ottenuta nel 1909 dal fisico statunitense Robert
Andrews Millikan.
• L'uso generalizzato dell'elettricità come sorgente
di energia è dovuto in gran parte al lavoro
pionieristico di inventori e tecnologi come Thomas
Alva Edison, Nikola Tesla e Charles Proteus
Steinmetz.
MAGNETISMO
Come le forze di natura elettrica, così anche
le forze magnetiche sono conosciute da
tempi remoti.
Come le forze elettriche anche le forze
magnetiche possono essere sia attrattive
che repulsive.
Il nome MAGNETE proviene dall’antica città
di Magnesia nell’Asia Minore, presso la
quale veniva estratto il materiale di ferro
naturalmente magnetizzato.
I Cinesi scoprirono che un ago magnetizzato
ha la tendenza ad orientarsi verso nella
direzione NORD-SUD e questo portò alla
costruzione della bussola. Questa si diffuse
nel mMediterraneo verso il 1100.
William Gilbert, nel 1600, introdusse l’idea
che la Terra sia un gigantesco manete.
Da Gilbert in poiil magnetismo fu studiato in
modo sistematico.
I poli magnetici sono inseparabili
L’esperimento di Oersted: una corrente esercita una
forza su un magnete.
Formula di Ampere: interazione tra due fili percorsi
da corrente.
Se si può avere interazione tra magnete e magnete,
tra magnete e corrente, è ragionevole ipotizzare
anche l’interazione tra corrente e corrente.
Una corrente elettrica produce un campo magnetico
TEOREMA DI EQUIVALENZA DI AMPERE
Una spira, percorsa da corrente, è come un
magnete.
L’ipotesi delle correnti microscopiche di Ampere
spiega i risultati dell’esperimento di Oersted.
Il filo percorso da corrente esercita una forza sul
magnete dato che la corrente produce un campo
magnetico.
L’ELETTRODINAMICA
interazione fra cariche in movimento
La legge di Coulomb che descrive l’interazione fra cariche in
quiete è la formula fondamentale dell’elettrostatica, così
come la formula di Ampere che descrive l’interazione tra fili
percorsi da corrente è la formula fondamentale
dell’elettrodinamica .
L’azione meccanica di un campo magnetico si manifesta
sulle correnti elettriche, cioè sulle cariche elettriche in
movimento. In modo analogo si può osservare che tutti i
campi magnetici sono prodotti da cariche elettriche in moto.
La forza di Lorentz
F = qvxB
Il campo magnetico è prodotto solo da cariche in
movimento e agisce solo su cariche in movimento.
Nella formula dllla Forza di Lorentz compare la
velocità della carica. Questo è un problema.
Tale velocità deve essere misurata rispetto a
particolare osservatore oppure in accordo con il
principio
di
relatività
è
possibile
dare
all’elettrodinamica una formulazione valida per tutti i
sistemi di riferimento?
F = qE
È stata stabilita per una carica in quiete, che
cosa ci assicura che essa vale anche per una
carica in moto?
Una carica elettrica assume lo stesso valore
rispetto a tutti gli osservatori inerziali: invarianza
relativistica della carica elettrica
il magnetismo ?
un fenomeno relativistico
campi elettrici e magnetici
variabili nel tempo
Abbiamo visto come vero il 1830, in seguito alle scoperte fondamentali
di Coulomb, Volta, Oersted e Ampere, si sia giunti a una teoria unificata
dei fenomeni elettrici e magnetici.
Tale teoria però si applica solamente a campi elettrici e
magnetici costanti nel tempo.
La scoperta della corrente indotta
Dal 1824 Faraday si dedicò ad una serie di esperimenti per capire se,
dato che una corrente genera un campo magnetico, anche un magnete
potesse generare una corrente.
UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE POTEVA PRODURRE UNA
CORRENTE.
Per la prima volta una corrente continua veniva prodotta senza
ricorrere a una pila (la dinamo di Faraday).
perché la realtà fisica è
il campo elettromagnetico?
La distinzione tra campo elettrico e campo magnetico si
riduce ad una semplice questione di sistema di riferimento.
Se la carica è in moto e il magnete è in quiete, diremo che
sulla carica agisce una forza “magnetica”, se invece la carica
è in quiete e il magnete in moto daremo della stessa forza
una spiegazione in termini di “campo elettrico”: un magnete
in movimento è visto dalle cariche come se fosse una carica.
“campo elettrico” e “campo magnetico” non sono che nomi
convenzionali utili per indicare due aspetti differenti di
un’unica realtà fisica: il campo elettromagnetico.
LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Un importante contributo allo studio dell'elettricità fu
l'opera del fisico-matematico britannico James Clerk
Maxwell, il quale sviluppò la teoria della luce come
radiazione elettromagnetica e formulò le leggi
fondamentali dell'elettromagnetismo, oggi note come
equazioni di Maxwell.
La conferma della validità della sua teoria si ebbe con le
ricerche del fisico tedesco Heinrich Hertz, che nel
1886 riuscì a produrre e a rivelare le onde
elettromagnetiche
presenti
nell'atmosfera,
e
dell'ingegnere italiano Guglielmo Marconi, il quale nel
1896 sfruttò queste onde per realizzare il primo sistema
pratico di comunicazione radio.
ONDE ELETTROMAGNETICHE
Variazioni di campi
elettrici e magnetici
Il campo magnetico indotto prodotto da un
campo elettrico variabile, produce a sua volta un
campo elettrico variabile che da origine a un
nuovo campo magnetico variabile, e così via
all’infinito …
La luce
è un’onda elettromagnetica
che si propaga nell’etere
Maxwell trovò, con i suoi calcoli, che la velocità con cui le
onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto era pari
alla velocità della luce.
Il problema della velocità della luce che aveva sfidato gli
sforzi dei più grandi scienziati di ogni epoca trovava così
la soluzione.
L’ottica confluiva nella teoria dell’ elettromagnetismo.
Maxwell era legato alla concezione materiale delle onde:
come tutti gli uomini del suo tempo egli pensava che non
potessero esserci onde senza un mezzo di propagazione.
Il trionfo mancato della fisica classica
http://einstein-pavia.mpiwg-berlin.mpg.de/intro/home?text=yes
All’inizio dell’Ottocento la meccanica classica
appariva il fondamento di tutta la fisica, se non di
tutta la scienza.
Tuttavia, nella seconda metà del secolo,
l’elettrodinamica di Maxwell e la termodinamica di
Clausius diventarono settori indipendenti della
fisica.
Il
concetto
di
“campo”,
emerso
dall’elettromagnetismo, ed il concetto di “entropia”,
emerso dalla termodinamica, potevano essere
interpretati in senso meccanico ma avevano senso
in se stessi.
Quindi, verso la fine dell’Ottocento, la fisica
classica risultava costituita da tre aree distinte ma
connesse:
meccanica, termodinamica ed elettromagnetismo.
Nelle tre zone di confine si concentravano
problemi controversi: le soluzioni date all’interno di
una area non erano compatibili con le soluzioni
date all’interno dell’area confinante.
I grandi fisici del tempo, Wilhelm Wien, Max Planck,
Hendrik Antoon Lorentz, Henri Poincaré e Ludwig
Boltzmann, affrontarono alcuni di questi “problemi al
confine”, offrendo risposte significative. Ancora più
significativo è che tutti gli articoli che il giovane Albert
Einstein pubblicò nel 1905 offrirono risposte a ciascuno di
questi problemi.
confine meccanica/elettromagnetismo
(principio di relatività)
confine meccanica/termodinamica
(moto browniano)
confine termodinamica/elettromagnetismo
(radiazione del corpo nero)
IL CORPO NERO
In fisica un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta la radiazione
elettromagnetica incidente (e quindi non ne riflette). Nonostante il nome, il
corpo nero irradia comunque, e deve il suo nome solo all'assenza di
riflessione. Lo spettro (intensità della radiazione emessa ad ogni
lunghezza d'onda) di un corpo nero è caratteristico, e dipende
unicamente dalla sua temperatura.
La luce emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero
e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero.
La differenza tra lo spettro di un oggetto e quello di un corpo nero ideale
permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto.
Un corpo nero è un radiatore ideale, emettendo il maggior flusso possibile
per unità di superficie, ad ogni lunghezza d'onda per ogni data
temperatura. Un corpo nero inoltre, assorbe tutta l'energia radiante
incidente su di esso: ovvero nessuna energia viene riflessa o trasmessa.
PLANCK e EINSTEIN
I QUANTI DI ENERGIA
Nella storia della fisica del XX secolo la scoperta del quanto d'energia e
della discontinuità quantistica ha
segnato l'inizio di quello straordinario processo di sviluppo, che a buon
diritto può esser definito "rivoluzione
quantistica", che ha trasformato profondamente
permanente la nostra immagine del mondo fisico.
ed
in
modo
Tradizionalmente, la nascita della teoria quantistica viene collegata alla
dimostrazione presentata da
Planck alla Società Tedesca di Fisica, durante la seduta del 14
Dicembre 1900, della famosa formula della radiazione termica. Per
ottenere la sua fondamentale dimostrazione, Planck aveva dovuto
introdurre l'ipotesi che l'energia potesse assumere valori discreti, e
questo viene considerato l'inizio della teoria quantistica.
i quanti di luce
Mentre l'interpretazione convenzionale da sempre
attribuisce a Planck il pieno merito di aver posto le
basi della teoria quantistica, una tesi alternativa –
avanzata oltre venticinque anni fa dallo storico della
scienza Thomas Kuhn e riproposta di recente sulla
scorta di nuovi elementi – ne ha messo in ombra il
lavoro e i risultati, sostenendo che la teoria
quantistica non nacque in quel famoso giorno di
dicembre del 1900, ma quando Einstein presentò
l'ipotesi dei quanti di luce, nel marzo del suo "annus
mirabilis" 1905, poco più di cento anni fa.
La verità storica dice che la catastrofe ultravioletta non
ebbe alcun ruolo nelle prime fasi di sviluppo della teoria
quantistica. Come ha giustamente osservato Giorgio
Parisi, «il fatto che la meccanica classica porta alla
cosiddetta catastrofe ultravioletta fu scoperto solo alcuni
anni dopo l'articolo di Planck e non viceversa, come
suggerito dal folklore usuale»
Fu l'opera di Einstein sulla teoria dei quanti di luce (o
fotoni) del marzo 1905 a segnare una svolta, perché aprì
una nuova via di ricerca che venne percorsa da
numerosissimi fisici, malgrado l'iniziale scetticismo di molti
(fra cui lo stesso Planck).
L'intervento del giovane Einstein – aveva allora, nel 1905,
appena ventisei anni - si rivelò decisivo. Egli fu il primo a
riconoscere la distanza che separava le nuove acquisizioni
dalla fisica allora accettata.
i concetti sono matematici
le idee sono matematiche
si può tentare di descrivere i contenuti
delle teorie fisiche in termini di linguaggio
comune, di disegni e di analogie, ma tutto
ciò è soltanto una metafora.
E’ opportuno cercare di divulgare i concetti
scientifici, ma deve sempre essere chiaro che
ogni divulgazione non può essere altro che una
qualche, più o meno riuscita, metafora.
La sostanza dei concetti in gioco è di natura
matematica e trova adeguata espressione solo
all’interno del formalismo matematico.
Idee tratte da
• CORSO DI FISICA
per i licei scientifici
Caldirola, Casati, Tealdi
ghisetti e corvi editori
• Siti internet di qualche università (di Torino,
di Roma ….)