L’esperto risponde – Fisica | Zanichelli Scienze Home Page di Scienze

Valentina scrive:

buonasera professore.. sono una studentessa del liceo scientifico P.N.I.. ho qualche problema con la tesina.. vorrei trattare un tema scientifico.. di fisica l’argomento che mi è piaciuto di più è il magnetismo.. tra l’altro quest’anno abbiamo visitato il laboratorio del sud di catania, dove ci sono stati presentati degli acceleratori di particelle, e un progetto chimato "nemo" che studia i neutrini che arrivano dallo spazio (così avrei anche il collegamento con scienze della terra).. il mio problema ora è come impostare il mio percorso.. quale tema dargli? e come collegare le altre materie con questi argomenti? grazie

Ecco quello che mi viene in mente:

Dare consigli sulle tesine è sempre problematico, perché ogni tesina dovrebbe basarsi sui punti di forza del candidato che la presenta, ed è difficile conoscerli meglio di lui. Il tema del magnetismo sarebbe vicino a quello degli acceleratori di particelle, ma non a quello dei neutrini che, essendo privi di carica, non sono sensibili ai campi elettromagnetici e tanto meno ai magneti. A quale collegamento con Scienze della Terra pensavi? I programmi svolti nelle diverse classi e scuole variano molto e non so che cosa tu abbia studiato in proposito.

Potresti parlare di stelle. Fra le stelle ci sono le pulsar che emettono potenti fasci di onde radio con un meccanismo di natura magnetica. Ci sono le supernovae, che sono anche intense sorgenti di neutrini. Uno degli obiettivi di telescopi neutrinici come NEMO è quello di studiare la radiazione neutrinica di fondo che è un residuo del Big Bang: si tratterebbe di un segnale emesso dall’Universo quando era nato da appena 2 secondi! Questo ti permetterebbe di citare il brano di Italo Calvino "Tutto in un punto" ne Le cosmicomiche. Però non so nulla del programma che hai svolto in Italiano o in Inglese. Magari il tuo prof di Italiano preferirebbe che tu parlassi del tema della nascita e della morte nell’Universo nel "Cantico del gallo silvestre" dalle Operette morali di Leopardi. Bisognerebbe parlarne anche con lui, sotto un titolo come "Nascita e morte dell’Universo: dal Big Bang alle supernovae" o qualcosa del genere.

Fammi sapere cosa ne pensi, e buon lavoro.

Giulia ha una domanda:

Salve professore, sono una studentessa di quinta liceo scientifico. Vorrei porle una domanda sull’esperimento del prisma di Newton: come mai la luce dopo aver attraversato il prisma si scompone nei diversi raggi colorati? La ringrazio infinitamente.

Ecco la mia risposta:

Gli ingredienti teorici necessari per comprendere l’esperimento di Newton sono:

• la legge di Snell della rifrazione dei raggi luminosi;
• la dipendenza dell’indice di rifrazione dalla frequenza della luce.

Quando il raggio di luce solare incide dall’esterno sulla prima faccia del prisma viene rifratto, cioè deviato. La relazione fra l’angolo di incidenza α e l’angolo di rifrazione β è data dalla legge di Snell:
(1)     sin α = n sin β
dove n è l’indice di rifrazione del vetro di cui è fatto il prisma. Mentre il raggio solare bianco incidente forma con la normale alla faccia del prisma un angolo α, il raggio rifratto forma con essa un angolo β < α.
Ma il valore di n dipende in realtà dalla frequenza f della luce incidente, per cui anche l’angolo di rifrazione dipende da f. Dovremmo scrivere:
(1′)     sin α = n(f) sin β(f)
e allora vediamo che le componenti della luce solare che presentano un indice di rifrazione maggiore (le componenti blu-violette) subiscono una deviazione maggiore delle componenti rosso-arancio, per le quali n(f) è minore. Ogni componente segue quindi una traiettoria lievemente diversa e le varie componenti si separano (dispersione della luce).

L’effetto è reso più significativo dalla forma del prisma, per la quale la seconda faccia, quella sulla quale i raggi incidono dall’interno, ha un’inclinazione diversa dalla prima. Ciò comporta che la separazione angolare fra le diverse componenti colorate aumenti ancora. Vale la pena disegnare la sezione del prisma e costruire i raggi incidenti, le normali e i raggi rifratti. Se questo aspetto più specifico della questione ti risulta ancora oscuro, sai dove trovarmi!

Elisa scrive:

Vorrei ricevere qualche informazione sulla teoria della relatività ristretta di Einstein e la teoria delle stringhe.
Inoltre, vorrei sapere se alcune nanoparticelle possono superare la velocità della luce, senza tuttavia mostrarsi. Grazie mille.
Frequento la terza classe di un liceo scientifico.

Ecco la mia replica:

La teoria della relatività ristretta di Einstein costituisce una parte decisiva della fisica teorica contemporanea e non può essere riassunta in poche righe. I suoi risultati (dalla esistenza di una velocità limite alla scoperta che la durata dei fenomeni dipende dal sistema di riferimento in cui vengono osservati, dal legame profondo fra il tempo e lo spazio a quello fra la massa e l’energia) attirano giustamente la curiosità di lettori e studenti, ma per esporli in maniera comprensibile un breve messaggio come questo non può assolutamente bastare. Ci vuole un corso scolastico, oppure un libro. Per fortuna ce n’è più d’uno. Io mi sento di consigliarti in particolare:
Richard Feynman, Sei pezzi meno facili, Adelphi 2004
Edwin Taylor, John Archibald Wheeler, Fisica dello spazio-tempo, Zanichelli 1996.

La teoria delle stringhe è invece un programma di ricerca molto recente, in attivo sviluppo da una ventina d’anni. Si tratta di una teoria che manca ancora di qualsiasi conferma sperimentale ed è oggetto di valutazioni anche molto critiche da parte di alcuni degli addetti ai lavori. Non è possibile darne un’esposizione accessibile a uno studente liceale. Esistono dei testi divulgativi che si propongono di trasmettere alcuni elementi di questa teoria, pur senza poter giustificare le proprie affermazioni né fornire elementi per una comprensione rigorosa. I più noti e apprezzati, nei limiti della letteratura divulgativa, sono probabilmente:
Brian Greene, L’universo elegante, Einaudi 2005
Lee Smolin, L’universo senza stringhe, Einaudi 2007.

Quanto alle nanoparticelle, non so bene che cosa tu intenda per "mostrarsi". Il prefisso nano indica oggetti delle dimensioni delle macromolecole, dunque molto più grandi di un atomo. Mentre è facile accelerare un elettrone o un protone fino a velocità estremamente vicine a quelle della luce, accelerare un oggetto molto più grande e pesante è senz’altro più difficile. A parte questo, nulla vieta in via di principio che una macromolecola — un filamento di DNA, ad esempio — venga portato a una velocità prossima a quella della luce. Ciò non influenza in nessun modo la sua visibilità, che ha a che fare con le sue dimensioni. Invece è impossibile accelerare oltre la velocità della luce, o anche soltanto fino alla velocità della luce, non soltanto delle macromolecole, ma anche degli elettroni. Lo vieta, appunto, la relatività ristretta. E con ciò ripartiamo dall’inizio…

Mirco ha una domanda:

Buon giorno Prof. Paolo Cavallo, le scrivo per chiederLe come è possibile risolvere il seguente esercizio: "Un cannone spara un proiettile con una velocità iniziale di 216m/s che forma un angolo di 40° con l’orizzontale. Determinare la velocità del proiettile quando si trova ad una distanza di 26m sull’asse orizzontale rispetto alla posizione iniziale." Ho trovato l’altezza di volo a 26m ma non riesco a capire come posso determinarmi la velocità.

Ecco la mia risposta:

Finalmente una domanda facile! Se hai determinato l’altezza di volo a 26 m dalla posizione iniziale hai evidentemente impostato la classica strategia di risoluzione: introdurre un sistema di riferimento cartesiano con l’origine nella posizione iniziale del proiettile, l’asse x parallelo al suolo e l’asse y perpendicolare al suolo; scomporre la velocità nelle sue componenti
v_0x = v₀*cosα = (216 m/s)*cos 40° = 165 m/s
v_0y = v₀*sinα = (216 m/s)*sin 40° = 139 m/s;
quindi scrivere le equazioni del moto lungo x e lungo y:
x(t) = x₀ + v_0xt = (165 m/s)t
y(t) = y₀ + v_0yt + (1/2)gt² = (139 m/s)t – (4,9 m/s²)t².

Queste sono le equazioni del moto per la posizione. Puoi anche scrivere le equazioni del moto della velocità. Lungo x il moto è uniforme, quindi v_x è costante; lungo y il moto è uniformemente accelerato. Abbiamo:
v_x(t) = v_0x = 165 m/s
v_y(t) = v_0y + at = 139 m/s – (9,8 m/s²)t.

Dalle equazioni nella posizione hai già ricavato che x è uguale a 26 m quando t = 26 m/165 m/s = 0,158 s. A questo istante di tempo le equazioni nella velocità forniscono i valori delle componenti:
v_x(0,158 s) = v_0x = 165 m/s
v_y(0,158 s) = 139 m/s – (9,8 m/s²)*0,158 s = 137 m/s.

Per trovare il modulo v della velocità devi calcolare la somma dei quadrati delle componenti, come al solito:
v² = v_x² + v_y² = (165 m/s)² + (137 m/s)²
da cui si ricava v = 214 m/s. In 0,158 s, la velocità non ha fatto in tempo a cambiare gran che…