【Edizione Popolare】Fisica del Liceo, Secondo Volume dell'Obbligo Opzionale

📚 Riepilogo del contenuto

Questo corso si basa sui testi scolastici di fisica per il liceo generale, con un approfondimento sugli argomenti dell'elettromagnetismo, tra cui forza di Ampère, forza di Lorentz, induzione elettromagnetica, corrente alternata e sensori, fondamentali concetti e leggi della fisica.

Esplora in profondità i misteri dell'elettromagnetismo, padroneggia le leggi fondamentali della fisica del liceo.

Autore: Centro di ricerca e sviluppo dei materiali didattici di Fisica, Istituto Nazionale per i Materiali Didattici, Editore Popolare

Ringraziamenti: Approvato dal Comitato esperti del Comitato Nazionale per i Libri di Testo (2019)

🎯 Obiettivi di apprendimento

1. Saper utilizzare correttamente la regola della mano sinistra per determinare la direzione della forza di Ampère e della forza di Lorentz, comprendendo la particolarità della direzione della forza su cariche negative.
2. Conoscere la formula per il calcolo dell'intensità della forza di Lorentz e saper derivare autonomamente le formule del raggio e del periodo del moto circolare di una particella carica in un campo magnetico uniforme.
3. Essere in grado di analizzare e spiegare il funzionamento di strumenti scientifici moderni come lo spettrometro di massa, il ciclotrone, il selettore di velocità e il generatore a flusso magnetico.
4. Poter descrivere con precisione il contenuto della legge di Lenz e della legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday, utilizzando la regola della mano destra per determinare la direzione della corrente quando si taglia un campo magnetico.
5. Saper applicare in modo flessibile le formule E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} e E = Blv \sin \theta per calcolare la tensione indotta in diverse situazioni fisiche.
6. Analizzare fenomeni elettromagnetici complessi come autoinduzione, correnti parassite e frenatura elettromagnetica dal punto di vista della trasformazione energetica, risolvendo problemi fisici concreti.
7. Saper analizzare il processo di generazione di corrente alternata da parte di un avvolgimento in rotazione, scrivere correttamente l'espressione istantanea e effettuare conversioni tra valore massimo e valore efficace (RMS).
8. Comprendere i principi base del trasformatore ideale, utilizzando la relazione diretta tra tensione e numero di spire per risolvere problemi di circuiti.
9. Comprendere i meccanismi di perdita di potenza nel trasporto di energia a distanza, calcolare la caduta di tensione e la perdita di potenza nelle linee di trasmissione, e spiegare il vantaggio economico del trasporto ad alta tensione.
10. Essere in grado di descrivere il processo periodico di variazione della carica, della corrente, dell'energia elettrica e dell'energia magnetica nel circuito LC.

🔹 Lezione 1: Forza di Ampère e forza di Lorentz: l’azione del campo magnetico sulla materia

Panoramica: Questo corso esplora le leggi che governano l'azione del campo magnetico su conduttori elettrici macroscopici (forza di Ampère) e su cariche in movimento microscopiche (forza di Lorentz). Attraverso lo studio della regola della mano sinistra, della formula della forza di Lorentz e del moto circolare che ne deriva in un campo magnetico uniforme, gli studenti acquisiranno conoscenze fondamentali sui principi fisici di strumenti scientifici moderni come lo spettrometro di massa e il ciclotrone, comprendendo anche il legame microscopico tra forza di Ampère e forza di Lorentz.

Risultati dell’apprendimento:

• Saper utilizzare con precisione la regola della mano sinistra per determinare la direzione della forza di Ampère e della forza di Lorentz, comprendendo la particolarità della direzione della forza su cariche negative.
• Conoscere la formula per il calcolo dell’intensità della forza di Lorentz e saper derivare autonomamente le formule del raggio e del periodo del moto circolare di una particella carica in un campo magnetico uniforme.
• Essere in grado di analizzare e spiegare il funzionamento di strumenti scientifici moderni come lo spettrometro di massa, il ciclotrone, il selettore di velocità e il generatore a flusso magnetico.

🔹 Lezione 2: Induzione elettromagnetica: leggi, natura e applicazioni

Panoramica: Questa unità didattica copre le leggi fondamentali dell'induzione elettromagnetica e le loro applicazioni. Si concentra principalmente sull'esplorazione sperimentale per rivelare la natura delle leggi di Lenz e di Faraday, analizzando in profondità i meccanismi microscopici delle forze elettromotrici motrici e indotte. Inoltre, attraverso lo studio di fenomeni come autoinduzione, mutua induzione, correnti parassite e frenatura elettromagnetica, viene illustrata la trasformazione energetica e le applicazioni pratiche dell'induzione elettromagnetica nella tecnologia moderna.

Risultati dell’apprendimento:

• Gli studenti saranno in grado di descrivere con precisione il contenuto della legge di Lenz e della legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday, utilizzando la regola della mano destra per determinare la direzione della corrente quando si taglia un campo magnetico.
• Saper applicare in modo flessibile le formule E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} e E = Blv \sin \theta per calcolare la tensione indotta in diverse situazioni fisiche.
• Essere in grado di analizzare fenomeni elettromagnetici complessi come autoinduzione, correnti parassite e frenatura elettromagnetica dal punto di vista della trasformazione energetica, risolvendo problemi fisici concreti.

🔹 Lezione 3: Corrente alternata: principio di generazione, trasformazione e trasporto dell'energia

Panoramica: Questo corso tratta l'intero processo dalla generazione della corrente alternata fino al trasporto a lunga distanza. Gli studenti inizieranno con il modello fisico di un avvolgimento rettangolare in rotazione all’interno di un campo magnetico uniforme, per comprendere il principio di generazione della corrente alternata sinusoidale e la sua rappresentazione matematica (valore istantaneo, valore massimo e valore efficace); successivamente esploreranno l’effetto speciale di induttanza e capacità sulle correnti alternate; infine, entreranno nell’ambito delle applicazioni, studiando le leggi di trasformazione del trasformatore ideale e come il trasporto ad alta tensione riduca le perdite di potenza durante il trasporto a distanza.

Risultati dell’apprendimento:

• Essere in grado di analizzare il processo di generazione di corrente alternata da parte di un avvolgimento in rotazione, scrivere correttamente l’espressione istantanea e effettuare conversioni tra valore massimo e valore efficace (RMS).
• Comprendere i principi base del trasformatore ideale, utilizzando la relazione diretta tra tensione e numero di spire per risolvere problemi di circuiti.
• Comprendere i meccanismi di perdita di potenza nel trasporto di energia a distanza, calcolare la caduta di tensione e la perdita di potenza nelle linee di trasmissione, e spiegare il vantaggio economico del trasporto ad alta tensione.

🔹 Lezione 4: Oscillazioni e onde elettromagnetiche: teoria di Maxwell e natura materiale

Panoramica: Questo corso mira a far comprendere agli studenti il passaggio dai fenomeni elettromagnetici nei circuiti macroscopici alla propagazione nello spazio. Il corso inizia con lo studio del processo di oscillazione elettromagnetica nei circuiti LC e delle relative leggi di conversione energetica, poi approfondisce le due ipotesi fondamentali della teoria del campo elettromagnetico di Maxwell, per infine rivelare i principi di emissione e ricezione delle onde elettromagnetiche, le loro proprietà materiali e lo spettro esteso.

Risultati dell’apprendimento:

• Essere in grado di descrivere il processo periodico di variazione della carica, della corrente, dell’energia elettrica e dell’energia magnetica nel circuito LC.
• Conoscere le formule per il periodo e la frequenza delle oscillazioni elettromagnetiche, e saper eseguire calcoli quantitativi correlati.
• Comprendere i contenuti fondamentali della teoria del campo elettromagnetico di Maxwell, essere in grado di spiegare la natura materiale delle onde elettromagnetiche e identificare lo spettro delle onde elettromagnetiche.

🔹 Lezione 5: Sensori: elementi chiave, principi applicativi e progettazione circuitale

Panoramica: Questo corso ha lo scopo di approfondire la definizione, la struttura e i modelli di applicazione dei sensori, permettendo agli studenti di comprendere i principi di funzionamento degli elementi sensibili fondamentali come quelli ottici, termici e magnetici (elementi Hall). Attraverso l’analisi di sensori di posizione capacitivi ed induttivi, nonché del sistema di controllo della temperatura in un fornello elettrico, gli studenti impareranno come le grandezze non elettriche vengono convertite in segnali elettrici. Infine, tramite la progettazione di circuiti per sistemi antifurto per porte e finestre e interruttori fotoelettrici, si svilupperà la capacità di affrontare problemi reali con un approccio ingegneristico.

Risultati dell’apprendimento:

• Essere in grado di descrivere con precisione la definizione, la struttura (elemento sensibile e elemento di conversione) e i modelli di applicazione generici dei sensori.
• Comprendere i meccanismi fisici con cui resistenze fotoresistenti, resistenze termoresistenti, elementi Hall, sensori capacitivi/induttivi trasformano grandezze fisiche in segnali elettrici.
• Essere in grado di analizzare il principio di controllo della temperatura in un fornello elettrico e progettare semplici circuiti automatici (ad esempio antifurto, interruttori fotoelettrici) in base alle esigenze sperimentali.