^^Testo esame di fisica. Indirizzo Scientifico Tecnologico Progetto Brocca.

Compendio delle raccomandazioni

Si ricordano i seguenti valori approssimati

e 1,60*10-19 C carica elementare
me 9,11*10-31 kg massa elettrone
h  6,63*10-34 J*s costante di Planck
c  3,0*108 m/s velocita' della luce
1 amu = 1,6606*10-27 kg atomic mass unit
Bt 2 * 10-5 T campo magnetico terrestre alla superficie

Effetto fotoelettrico. 2006 tema 1

L'effetto fotoelettrico, che presenta oggi tante applicazioni tecnologiche, si basa su una fondamentale interpretazione teorica che ha contribuito in modo essenziale allo sviluppo della fisica contemporanea.

  1. Relazionare sulla spiegazione teorica dell'effetto fotoelettrico proposta da Albert Einstein, confrontandola con i falliti tentativi d'interpretazione basati sulla fisica classica.
  2. Dopo avere scritto e commentato le leggi che governano l'effetto fotoelettrico, proporre un esempio pratico descrivendo un'applicazione tecnologica e spiegandone il funzionamento.
  3. Calcolare la lunghezza d'onda corrispondente alla frequenza di soglia per l'estrazione di fotoelettroni dal potassio, sapendo che il suo lavoro di estrazione e' 2,21 eV. 
  4. Calcolare, in J e in eV, la massima energia cinetica e la corrispondente quantita' di moto degli elettroni estratti da una superficie ricoperta di potassio irradiata con raggi ultravioletti di lunghezza d'onda λ= 248,2 nm e calcolare la corrispondente lunghezza d'onda di de Broglie.

Effetto Joule. 2006 tema 2.

L'effetto Joule ha tantissime applicazioni pratiche, anche all'interno delle nostre case.

  1. Descrivere e spiegare l'effetto Joule con una breve relazione scientifica.
  2. Spiegare perche' la resistenza di un conduttore aumenta con l'aumento della temperatura. Cosa succede, invece, nel caso di un semiconduttore?
  3. Rappresentare graficamente e commentare l'andamento dell'intensita' di corrente nel filamento di una lampada, in funzione del tempo, da quando e' freddo a quando e' diventato incandescente (si supponga costante la ddp applicata al filamento).
  4. Spiegare il significato dell'espressione "corto circuito" che si sente qualche volta come causa d'incendio in un appartamento.
  5. Spiegare il concetto di "potenza elettrica" e ricavare le formule che permettono di calcolare sia l'energia e sia la potenza in corrente continua e alternata. Ricavare anche le rispettive unita' di misura come grandezze derivate del Sistema SI.
  6. Uno scaldabagno elettrico, con una potenza di 1,2kW, contiene 80 litri d'acqua alla temperatura di 18 °C. Ammettendo che vi sia una dispersione di energia del 5%, calcolare:
    1. l'intensita' di corrente che attraversa la resistenza, sapendo che la tensione di rete e' 220V;
    2. quanto tempo e' necessario, approssimando al minuto, perche' il termostato inter rompa l'alimentazione elettrica sapendo che esso e' predisposto per interromperla quando l'acqua ha raggiunto la temperatura di 40 °C;
    3. la spesa da sostenere per portare l'acqua da 18 °C a 40 °C, sapendo che il costo del servizio e' di 0,13 Euro/kWh;
    4. la spesa sostenuta inutilmente a causa della dispersione di energia nello scaldabagno.

Radiazione termica. 2004 tema 1.

Se si scalda l'estremita' di una barra di ferro, si nota che essa emette inizialmente una radiazione termica che e' percepita dalla pelle ma non dagli occhi. Se si continua a far aumentare la temperatura, l'estremita' della barra diventa luminosa; il colore e' prima rosso e poi, aumentando ancora la temperatura, tende al bianco.

  1. Analizzare il fenomeno descritto e fornire una spiegazione fisica delle varie fasi che portano dalla iniziale emissione termica a quella luminosa, prima rossa e poi bianca.
  2. Collegare il fenomeno descritto alle ricerche riguardanti la curva d'emissione della radiazione elettromagnetica del corpo nero che portarono Planck, nel 1900, a formulare l'ipotesi del quanto di energia. Descrivere il problema affrontato da Planck e la sua ipotesi finale.
  3. Descrivere l'evoluzione del concetto di quanto di energia fino ad arrivare al concetto di fotone, introdotto da Einstein, e utilizzato nel 1905 per spiegare l'effetto fotoelettrico e, successivamente, l'effetto Compton. Fornire una spiegazione fisica dei due effetti.
  4. Calcolare, in eV e in J, l'energia trasportata da un fotone proveniente da una lampada che emette luce gialla di lunghezza d'onda λ= 600 nm.
  5. Una piccola lastra di rame, di massa m = 20 g e calore specifico c = 0,092 kcal/(kg*°C), aumenta la sua temperatura di 2 °C perche' investita dalla radiazione infrarossa proveniente da una stufa. Sapendo che la frequenza della radiazione e'  υ= 3*1013 Hz, calcolare il numero dei fotoni che hanno interagito con il rame provocandone il riscaldamento.

Cinescopio CRT. 2004 tema 2.

Le immagini che si formano sullo schermo di un apparecchio televisivo sono generate dall'interazione tra un fascio di elettroni veloci e i fosfori depositati sulla superficie interna dello schermo stesso. Gli elettroni provengono dalla sezione posteriore del tubo catodico dove un filamento metallico e' portato all'incandescenza.

Nella figura e' schematicamente rappresentato un tubo catodico in cui sono visibili: due generatori di tensione continua (G1 per l'alta tensione e G2 per la bassa tensione), il filamento riscaldato (Fil ), il collimatore del fascio elettronico (Coll ) formato da due piastrine metalliche forate e parallele, lo schermo S, la zona Z dove gli elettroni sono deviati da un campo magnetico.

  1. Spieghi perche' l'alta temperatura del filamento favorisce l'emissione di elettroni. 
  2. Spieghi perche' i fosfori depositati sulla superficie dello schermo emettono luce quando interagiscono con gli elettroni veloci del tubo catodico.
  3. Il candidato descriva e commenti:
    1. le funzioni e le polarita' dei generatori G1 e G2
    2. in quale zona del tubo catodico l'intensita' del campo elettrico e' elevata e dove, invece, e' trascurabile.
  4. Nell'ipotesi che la differenza di potenziale tra il filamento e il collimatore sia ∆V = 30 kV, il candidato calcoli:
    1. l'energia cinetica acquistata dagli elettroni nel loro percorso tra Fil e Coll, espressa in elettronvolt e in joule;
    2. la velocita' degli elettroni al loro passaggio attraverso il collimatore (ipotesi classica), commentando il risultato per quanto riguarda gli eventuali effetti relativistici.
  5. Con riferimento alla figura 1b, che rappresenta la vista anteriore dello schermo, e nell'ipotesi che il campo magnetico nella zona Z sia uniforme, il candidato disegni il vettore B necessario, ogni volta, per far raggiungere al fascio di elettroni i punti A, B, C, D sullo schermo.
  6. Il candidato si riferisca ora alla figura 2 dove tt e' la traiettoria del fascio elettronico, r e' il raggio dell'arco di traiettoria compiuto all'interno di Z, δ e' l'angolo di deviazione del fascio elettronico. Si supponga che l'angolo di deviazione sia δ= 30° e che il campo magnetico sia uniforme all'interno della zona sferica Z, di raggio RZ = 4 cm, e nullo altrove. 
    Il candidato calcoli l'intensita' del vettore B che porta a tale angolo di deviazione e ne indichi la direzione e il verso, osservando che lo schermo e' perpendicolare al piano del foglio. Nella figura 2 l'angolo δ e' stato disegnato piu' grande di 30° con lo scopo di rendere l'immagine piu' compatta per facilitarne lo studio. 

Effetto fotoelettrico. 2002 Tema 1.

L’effetto fotoelettrico rimase per lunghi anni un mistero fino alla scoperta delle sue leggi da parte di Albert Einstein e le attivita' sperimentali di Robert Andrews Millikan. Nel 1905, Einstein riusci' a fornire un’interpretazione del fenomeno introducendo il concetto di fotone, la cui esistenza fu poi confermata dalla scoperta dell’effetto Compton nel 1923. Einstein, Millikan e Compton ebbero il premio Nobel per la fisica rispettivamente negli anni 1921, 1923 e 1927. Il candidato: 

  1. scriva e commenti le leggi fisiche dell’effetto fotoelettrico, descriva il fenomeno e proponga un esempio di applicazione tecnologica; 
  2. spieghi perche' non e' stato possibile interpretare l’effetto fotoelettrico utilizzando le caratteristiche di un’onda elettromagnetica;
  3. descriva somiglianze e differenze tra il fotone di Einstein e il quanto di energia proposto da Planck nella radiazione del corpo nero;
  4. descriva l’effetto Compton e commenti la formula: λ'-λ = h/(m0*c)*(1 . cosθ) che mette in relazione le grandezze fisiche interessate;
  5. calcoli l’angolo di diffusione di un fotone che, avendo un’energia iniziale di 0,8 MeV, ne perde un terzo per effetto Compton: 

Circuito elettrico. 2002 Tema 2.

Una parte di un circuito (in figura) e' costituita da tre resistori (R1 = 100 Ω, R2 = 200 Ω, R3 = 300 Ω) e da un solenoide posto in aria. Questo e' lungo 5 cm, ha una sezione circolare di 16 cm2 ed e' formato da 1000 spire di resistenza trascurabile. All’interno del solenoide si trova un piccolo ago magnetico che, quando non vi e' passaggio di corrente, e' perpendicolare all’asse del solenoide perche' risente soltanto del campo magnetico terrestre (Bt = 2 * 10-5 T). 

  1. esponga le sue conoscenze riguardo al campo magnetico terrestre e all’uso della bussola magnetica
  2. spieghi il concetto di resistenza elettrica, descriva il tipo di collegamento dei tre resistori R1, R2 e R3 e ne calcoli la resistenza totale
  3. spieghi il concetto di induttanza e calcoli l’induttanza del solenoide, dopo aver dimostrato come si ricava la formula per il suo calcolo
  4. avendo osservato che l’ago magnetico ha subito una deviazione, con un angolo di 30° rispetto alla direzione originaria, calcoli, in μA, l’intensita' della corrente che attraversa ognuna delle tre resistenze e il solenoide
  5. nelle stesse condizioni precedenti, calcoli il potenziale elettrico nei punti A, B e C, sapendo che il punto D e' collegato a massa
  6. sapendo che tra A e D e' mantenuta la differenza di potenziale gia' calcolata, ricavi l’angolo di deviazione dell’ago magnetico che si ottiene eliminando il resistore R2 e interrompendo, percio', quel tratto di circuito.

Dualita' onda-corpuscolo. 2000 tema 1.

Nella prima meta' del secolo XX, dopo la scoperta che la radiazione elettromagnetica ha un comportamento duale, ondulatorio e corpuscolare, fu formulata l’ipotesi che anche la materia, considerata composta da particelle, potesse presentare caratteristiche ondulatorie. 

  1. spieghi il significato dell’espressione “la radiazione ha un comportamento duale, ondulatorio e corpuscolare” e descriva un esperimento che ha messo in evidenza il comportamento corpuscolare
  2. spieghi il significato dell’espressione “fu formulata l’ipotesi che la materia, considerata composta da particelle, potesse presentare caratteristiche ondulatorie” e descriva un esperimento che ha confermato la realta' di questa ipotesi teorica
  3. calcoli quanti fotoni emette in un minuto una stazione radio che trasmette musica alla frequenza di 99MHz con una potenza di uscita di 20kW
  4. calcoli la lunghezza d’onda associata ad un elettrone che, con velocita' iniziale trascurabile, e' stato accelerato tra due elettrodi da una differenza di potenziale di 200V
  5. calcoli, in eV, la minima energia cinetica che pu`o avere un elettrone costretto a muoversi in uno spazio unidimensionale lungo 0,1 nm

Forza elettromotrice, resistenza interna, potenza elettrica. 2000 tema 2.

Sono disponibili una pila di forza elettromotrice f.e.m.= 4,5V e due lampadine, A e B, costruite per essere utilizzate con una differenza di potenziale ∆V = 4,5V e aventi, rispettivamente, le potenze PA = 3W e PB = 5W. La pila eroga una corrente di intensita' I = 6A se e' posta in condizione di cortocircuito per un breve istante.

  1. spieghi i concetti di forza elettromotrice di una pila e di differenza di potenziale disponibile ai suoi morsetti, proponendo anche la relazione matematica tra le due grandezze; 
  2. descriva una procedura di laboratorio per misurare ognuna delle due grandezze fisiche; 
  3. tratti il concetto di potenza associato ad una corrente elettrica e ricavi l’espressione della potenza dissipata in una resistenza; 
  4. calcoli la resistenza interna della pila in condizioni di cortocircuito, trascurando la resistenza del filo di collegamento;
  5. calcoli la potenza dissipata sulle due lampadine quando vengono collegate, separatamente, alla pila;
  6. calcoli, in percentuale, il rendimento delle due lampadine in rapporto alla loro reale capacita' di funzionamento e commenti il risultato indicando quale lampadina ha la luminosita' piu' vicina al valore massimo possibile, in base alle sue caratteristiche, e spiegando il perche'.

Il rapporto e/m; forza magnetica. 1999 tema 1.

Si vuole determinare il rapporto e=m, tra carica e massa di un elettrone, utilizzando un tubo contenente neon a bassa pressione al cui interno gli elettroni sono emessi per effetto termoelettronico (conosciuto anche come effetto termoionico). Essi hanno una velocita' iniziale trascurabile e sono accelerati tre due elettrodi da una differenza di potenziale ∆V = 0,78 kV fino a raggiungere la velocita' v. Gli atomi di neon ne rendono visibile la traiettoria interagendo al loro passaggio. Una volta raggiunta la velocita' v, gli elettroni entrano in una zona che e' sede di un campo magnetico con B = 4,3 * 10-4 T e con un angolo α tra i vettori B e v. 

  1. descriva e spieghi l’effetto termoelettronico
  2. spieghi perche' gli atomi di neon nel tubo rendono visibile la traiettoria degli elettroni
  3. disegni e commenti la possibile traiettoria di un elettrone tra due elettrodi (prima che risenta del campo magnetico) e poi all’interno del campo magnetico per α= 90° e per α < 90° 
  4. ricavi e commenti la formula che permette di calcolare la velocita' dell’elettrone in funzione della d.d.p. tra gli elettrodi in un tubo sotto vuoto; calcoli tale velocita' ricordando che la carica e la massa dell’elettrone sono (vedi tb)
  5. ricavi e commenti la formula che permette di calcolare il raggio della traiettoria in funzione della velocita' dell’elettrone e dell’induzione magnetica; calcoli il raggio di tale traiettoria sapendo che l’angolo tra i vettori B e v e' α= 60°
  6. ricavi e commenti la formula che permette di calcolare il rapporto e/m in funzione dei valori misurabili ∆V, B e r. 

Condensatore elettrico. 1999 Tema 2.

Un condensatore e' un sistema elettrico costruito in modo tale da avere una grande capacita'. Piu' condensatori possono essere collegati fra loro per aumentare o diminuire la capacita' complessiva disponibile.

  1. definisca la grandezza fisica “capacita' elettrica” di un conduttore, la sua unita' di misura nel sistema S.I. e i suoi sottomultipli
  2. calcoli il raggio di un’ipotetica sfera conduttrice che abbia la capacita' di un farad e commenti il risultato; come dato di riferimento prenda il raggio medio della Terra di 6370 km 
  3. descriva la struttura di un condensatore piano spiegando perche' essa permette d’aumentare, per quanto possibile, la capacita' elettrica del sistema
  4. ricavi e commenti la formula per calcolare la capacita' elettrica di un condensatore piano
  5. descriva almeno un’utilizzazione del condensatore in ambito scientifico o tecnologico
  6. disegni i simboli grafici di tre condensatori da 100 μF collegati in modo da ottenere le capacita' complessive di 150 μF e di 300 μF
  7. Il candidato risolva, infine, il seguente problema.

    Un sistema di condensatori avente la capacita' complessiva di 1 mF, a cui e' applicata la d.d.p. di 10 kV, e' fatto scaricare su un resistore con R = 100 Ω immerso in un litro d’acqua distillata alla temperatura di 20 °C e contenuta in un recipiente isolato termicamente.

    Il candidato calcoli la temperatura finale dell’acqua dopo che il sistema di condensatori si e' completamente scaricato e spieghi che cosa succederebbe se si fosse raddoppiato il valore della resistenza.

Diffrazione della luce. 1998 Quesito 1

Un pennello di luce monocromatica emessa da un laser illumina perpendicolarmente una doppia fenditura praticata in uno schermo A. La distanza tra le due fenditure sia 0,1 mm. Al di la' della doppia fenditura e a una distanza di 2m da A e' disposto, parallelamente ad A, uno schermo B su cui si raccoglie la luce proveniente dalle due fenditure.

  1. Calcolare la lunghezza d’onda della luce emessa dal laser se la distanza su B della frangia centrale luminosa dalla prima frangia laterale luminosa e' di 10 mm.
  2. Se il laser illumina una placca di cesio (frequenza di soglia per effetto fotoelettrico .0 = 4,34 * 1014 Hz), si ha emissione di elettroni?

Conversione massa-energia; forza magnetica. 1998 Quesito 2

Il nucleo di un atomo di torio di massa 232,03714 amu decade in un nucleo di radio di massa 228,02873 amu ed in una particella α di massa 4,00260 amu.

  1. Determinare la massa che si trasforma in energia cinetica e – supposto in prima approssimazione che tutta l’energia cinetica sia acquisita dalla particella α – la velocita' v con cui la particella α esce dalla disintegrazione. 
  2. Tale particella puo' considerarsi relativistica?
  3. Quale deve essere l’intensita' di un campo magnetico ortogonale alla velocita' v perche' la particella descriva una circonferenza di diametro 1 m supposto che la particella si muova nel vuoto? 

Conduttore in moto in un campo magnetico. 1997 Tema1.

Una sbarretta conduttrice scorre su due guide metalliche parallele appoggiate sopra un piano orizzontale. Esse distano tra di loro l = 20 cm e sono collegate da un conduttore di resistenza R = 2 Ω. Sapendo che la sbarretta si muove in un campo magnetico di intensita' B= 0,5 T, perpendicolare al piano ed orientato come in figura, calcolare:

  1. la d.d.p. indotta agli estremi della sbarretta in mV, 
  2. l’intensita' di corrente in mA che l’attraversa, 
  3. la forza di attrito, sapendo che la sbarretta si muove con velocita' costante v = 20 cm/s.

Effetto fotoelettrico. 1997 Tema 2

  1. Il candidato spieghi l’effetto fotoelettrico descrivendone almeno un’applicazione.
  2. Calcoli poi in eV la massima energia cinetica che possono avere gli elettroni emessi da una superficie investita da una radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda . = 4 * 10.7 m, sapendo che la lunghezza d’onda di soglia e' .0 = 6 * 10.7 m.

Il candidato presenti la risoluzione sotto forma di relazione scientifica, descrivendo e motivando i passaggi intermedi.

Carica in moto in campo magnetico. 1996 Tema 1.

Una particella α (q = 3, 2 *10-19 C; m = 6, 7 *10-27 kg), emessa da una sostanza radioattiva, descrive nel vuoto una traiettoria semicircolare di raggio r = 10 cm a causa di un campo magnetico d’induzione B = 0, 8 T.

Il candidato calcoli in eV l’energia cinetica con cui e' stata emessa la particella e disegni, nei punti P1 e P2, i vettori v, B, F nella figura che descrive la sua traiettoria.

Rifrazione della luce. 1996 Tema 2.

Un recipiente cilindrico, a pareti riflettenti e pieno d’acqua, ha sul fondo, al centro, una sorgente luminosa puntiforme S che emette raggi di luce in tutte le direzioni. Per il fenomeno della riflessione totale, dall’acqua emerge un cono di luce che sulla superficie di separazione acqua-aria ha una sezione luminosa circolare di diametro d = 20 cm.

Il candidato calcoli l’indice di rifrazione dell’acqua, sapendo che la sua profondita' dentro il recipiente e' h = 88 mm.

Campo magnetico generato da una spira. Forza magnetica. 1995 Tema di Fisica

In un laboratorio un ago magnetico e' libero di ruotare ed e' collocato al centro di una spira circolare di rame posta in posizione verticale e avente raggio 5 cm. In condizione di equilibrio, se nella spira non passa alcuna corrente, la direzione dell’ago coincide con la proiezione verticale della spira.

Il candidato calcoli in tesla la componente orizzontale dell’induzione magnetica terrestre all’interno del laboratorio avendo osservato che, quando la spira e' attraversata dalla corrente d’intensita' 1 A, l’ago effettua una rotazione formando un angolo di 25 gradi con il piano della spira.

Potenza elettrica. 1995 Quesito di Fisica.

In un cantiere si devono sollevare carichi da 50 kg ciascuno a 20 metri di altezza ma, per un guasto al sistema elettrico, e' necessario ricorrere ad un motore in cc alimentato da una batteria nuova di automobile da 12 V e 40 Ah.

Il candidato valuti la potenza minima accettabile per il motore e calcoli il numero di carichi che potranno essere sollevati prima di esaurire la batteria, sapendo che:

  1. la batteria e' nuova e perfettamente carica
  2. il motore impiega un minuto per sollevare ciascun carico
  3. il sistema ha un rendimento del 60%.