Attività di Laboratorio di Fisica

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (1a parte)

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (2a parte)

DETERMINAZIONE DEL BARICENTRO DI UN CORPO

EQUILIBRIO DEI CORPI APPOGGIATI

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI PRIMO GENERE

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI SECONDO GENERE

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI TERZO GENERE

MISURA DEL CALORE

Disporre la slitta in vari punti sulla rotaia e verificare che non si sposti spontaneamente. (questo significherebbe che la rotaia si comporta come un piano inclinato e, perciò, la slitta sarebbe sempre sottoposta ad almeno una forza parallela al moto)

Realizzare con la slitta, i pesetti, il filo e la carrucola il sistema rappresentato nella Figura 1.

Spiegare agli allievi che il cuscinetto d’aria su cui viaggia la slitta serve per limitare l’attrito e ci consente di realizzare un moto pressoché uniforme. I pesi utilizzati per la slitta, servono a metterla in movimento e interrompono la loro azione prima che la slitta raggiunga il primo traguardo (a questo scopo, porre attenzione alla distanza h0 dove fermare i pesetti); pertanto, non interferiscono col moto successivo, infatti, dall’istante in cui la slitta non è più trainata da alcuna forza, essa procede a velocità praticamente costante.

Eseguire alcune prove dell’esperimento illustrando il funzionamento del timer, delle fotocellule e, se possibile, variare il flusso d’aria mostrando come al diminuire della quantità d’aria erogata aumenti visibilmente l’effetto rallentante dell’ attrito.

Disporre le fotocellule ad una distanza prefissata ed eseguire alcune misure del tempo impiegato dalla slitta per percorrere tale distanza.

Completare la seguente tabella utilizzando le approssimazioni più opportune in relazione ai dispositivi utilizzati.

Far osservare che, aldilà degli errori connessi a qualsiasi operazione di misura, i tempi per percorrere spazi uguali sono praticamente identici, anche se vengono calcolati in punti diversi della rotaia (sempre dopo l’azione dei pesi di trascinamento).

Realizzare alla lavagna la seguente tabella.

N. prova	S (cm)	T medio (s)	V=s/t (m/s)
1
2
3
4
		V media =

Costruire il diagramma orario del moto che apparirà simile al seguente:

Esperimento 2

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· rotaia a cuscino d’aria

· una serie di pesetti

· filo di nylon

· una slitta

· una carrucola

· traguardi elettronici con timer

Figura 2

Realizzazione

Montare la rotaia secondo le norme previste sul manuale d’uso della stessa, facendo in modo che il piano della rotaia sia perfettamente orizzontale.

Realizzare con la slitta, i pesetti, il filo e la carrucola il sistema rappresentato nella Figura 2.

Far osservare ai ragazzi la disposizione della slitta e della prima fotocellula. Sono entrambe all’inizio della rotaia, la slitta è ferma, per cui la velocità iniziale nel corso di queste prove è sempre V1 = 0. La prima fotocellula viene subito incontrata, perciò, il conteggio dell’intervallo di tempo inizia, con buona approssimazione, quando inizia il moto della slitta. E’ importante far notare che il moto è determinato dalla forza impressa alla slitta dal peso del grave, ed è trasmessa dal filo di nylon e costantemente applicata in quanto la slitta transita sotto la fotocellula 2 prima che il grave abbia compiuto la sua caduta. (ricordare la diversa configurazione dell’esperimento 1 per poi confrontare i diversi risultati)

Si effettuano diverse misure che verranno inserite nelle seguenti tabelle:

Tabella 1

Tabella 2

n.	S (cm)	T (s)	T2 (s2)	S/T (cm/s)	A=2S/T2 (cm/s2)
1
2
3
4
5

Completare la tabella 1 in aula senza fare commenti sul significato di A (non dovrebbe essercene il tempo).

Assegnare come esercizio da svolgere a casa il completamento della tabella 1, eseguendo i calcoli indicati in cima alle ultime tre colonne e la realizzazione di due diagrammi analoghi a quelli dell’esercizio 1, rappresentando sull’asse delle ordinate, rispettivamente t e t2.

Gli allievi dovranno, inoltre, fare alcune ipotesi sul significato e l’origine della grandezza A che hanno calcolato in aula e a casa.

Esperimento 3

2° principio della dinamica

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· rotaia a cuscino d’aria

· una serie di pesetti con un portapesi

· filo di nylon

· una slitta

· una carrucola

· traguardi elettronici con timer

Figura 3

Per questo esperimento utilizzare la stessa configurazione del caso precedente.

Stabilire una opportuna distanza tra le fotocellule (rimarranno fisse durante l’intero esperimento), e attaccare all’estremità libera il portapesi.

Eseguire (o, meglio, far eseguire agli allievi) l’esperimento ponendo inizialmente alcuni pesetti (almeno 4) sul portapesi.

Spostare poi un pesetto alla volta, dal portapesi alla slitta (in questo modo la massa totale del sistema non varierà).

N.B.

E’ importante far notare che la massa che si sposta non è solo quella della slitta, ma quella del sistema slitta, pesetti e portapesi!

Queste quantità non erano state fatte variare negli esperimenti precedenti e, non essendo indispensabili per i calcoli, non sono state tabulate.

Costruire una tabella come segue:

spazio percorso s = . M
n.	F (gp)	F(N)	T (s)	T2 (s2)	A (m/s2)	F/A (Ns2/m)
1
2
3
4
5

Assegnare come compito a casa la realizzazione del grafico A = f (F).

Inclinare la rotaia (ad esempio ponendo sotto due piedini una scatola), utilizzandola come piano inclinato, eseguire alcune misure con slitte di massa diversa (ad esempio aggiungendo pesi sulle stesse)

Verificare la legge che lega accelerazione e forza attraverso lo studio della tabella che segue:

spazio percorso s = . M F=F// (forza parallela al piano inclinato)
n.	T (s)	T2 (s2)	A (m/s2)	F/A (Ns2/m)
1
2
3
4
5

Esperimento 4

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· 1 pannello metallico su piedi di appoggio

· 1 spinotto filettato

· alcune figure geometriche piane

· filo a piombo

· 1 morsetto

fase 1

Fissare lo spinotto al pannello metallico, e inserirvi una figura geometrica piana (non importa quale). Inserirvi poi il filo a piombo, sospeso per l’anello;

Far notare come le due figure appaiono parallele in quanto i due corpi sono attirati verso un’unica direzione che, approssimativamente, corrisponde alla direzione del centro della Terra (verticale).

Utilizzare il filo a piombo, per indicare la verticale passante per il punto di sospensione.

fase 2

Fissare lo spinotto al pannello metallico, e inserirvi una figura geometrica piana.

Inserire poi il filo a piombo, sospeso per l’anello, e quindi tracciare sulla figura piana con una matita, i punti attraversati dal cordino del filo a piombo. (è opportuno, per non sporcare le figure, chiedere agli allievi di coprire con un foglio a quadretti perfettamente ritagliato, la figura stessa. Tale foglio, incollato con qualche pezzo di scotch potrà essere allegato alla relazione sull’esperimento o incollato sul quaderno accanto alla teoria)

Ripetere l’esperimento sospendendo la figura per gli altri fori, sempre tracciando la verticale passante. Ripetere ancora le fasi dell’esperimento, utilizzando le altre figure geometriche piane.

Ricordare agli allievi che il baricentro si può pensare come il punto nel quale è applicata la forza dovuta al peso dell’intero corpo.

E’ individuato dalla intersezione delle verticali passanti per i diversi punti di sospensione

Esperimento 5

Tempo previsto

10 minuti

Materiali occorrenti

· Lastra metallica per piano inclinato

· Parallelepipedo di legno grande

· Filo a piombo

· Morsetto a bocca di coccodrillo

Esecuzione

Si appoggi il parallelepipedo di legno sulla tavoletta e si sospenda infisso nel baricentro il filo a piombo Si porti tutto al margine del tavolo e si sollevi la tavoletta il parallelepipedo non cadrà finche la verticale, rappresentata dal filo a piombo passante per il centro di gravità resterà nell’interno della base di appoggio.

Per evitare che il blocchetto scivoli lungo il piano, si ponga davanti un morsetto a bocca di coccodrillo fissato alla tavoletta del piano inclinato.

Si ripeta l’esperimento poggiando sul piano inclinato il parallelepipedo mediante la base maggiore. Si vedrà che occorre dare al piano un’incl’inazione di gran lunga maggiore per determinare caduta del parallelepipedo.

Esperimento6

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· 1 sostegno con asta

· 2 morsetti

· asta da 30 cm

· asta da 50 cm

· asta con gancio centrale

· serie di pesetti

· dinamometro

· riga millimetrata

· filo

Esecuzione

con un morsetto fissare orizzontalmente all’asta del sostegno l’asta da 50 cm. A quest’ultima sospendere con un occhiello di filo l’asticciola con gancio centrale, ai due bracci della quale appendere, sempre con occhielli di filo, due gruppi di uguale numero di pesetti. (Figura 4)

Spostare opportunamente i due gruppi di pesetti in modo da trovare la posizione di equilibrio (asticciola ferma orizzontalmente): essa si raggiunge quando i due gruppi di pesetti si trovano alla stessa distanza dal gancio centrale (fulcro)

Figura 4

Ripetere l’esperimento variando il numero dei pesetti appesi, purche’ in numero uguale ai due bracci dell’asticciola. Appendere ora ai due bracci dell’asticciola due gruppi di numero diverso di pesetti, quindi, tenendo fisso all’estremo di un braccio il gruppo con il minor numero di pesetti, fare scorrere lentamente l1altro gruppo di pesetti sull’altro braccio fino a trovare la posizione di equilibrio (asticciola ferma orizzontalmente).

Misurare la distanza di ciascun gruppo di pesetti dal fulcro quindi verificare che il prodotto del numero di pesetti di ciascun gruppo per la rispettiva distanza dal fulcro e’ lo stesso per i due bracci della leva.

Ripetere le misure fissando, ad es., un pesetto ad un estremo di un braccio e appendendo prima uno, poi due, tre, … pesetti all’altro braccio della leva. Compilare quindi una tabella come la seguente, verificando che, nei limiti degli errori sperimentali, i risultati della terza e della sesta colonna sono uguali.

braccio sinistro			braccio destro
forza (gr-p)	braccio (cm)	braccio forza x forza	forza (gr-p)	braccio (cm)	braccio forza x forza

Note: nel montaggio e’ bene tenere l’asticciola (leva) a pochi

centimetri dalla superficie di appoggio affinché, quando

dovessero cadere i pesetti durante la ricerca della posizione di equilibrio, sia più agevole tenere sotto controllo il resto della struttura.

Per una migliore misura dei bracci della leva e’ consigliabile appendere i pesetti, per quanto possibile, verso gli estremi dell’asticciola.

Esperimento 7

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· 1 sostegno con asta

· 2 morsetti

· asta da 30 cm

· asta da 50 cm

· asta con gancio centrale

· serie di pesetti

· dinamometro

· riga millimetrata

· filo

Esecuzione

Fissare all’asta del sostegno due aste orizzontali, l’una sotto l’altra (Figura 5)

Figura 5

All’asta superiore appendere il dinamometro, all’asta inferiore appendere con un occhiello di filo l’asticciola con gancio centrale in modo che sia libera di ruotare intorno al suo gancio.Per mezzo di un occhiello di filo agganciare il dinamometro all’estremo dell’asticciola, quindi spostare l’asta superiore che sorregge il dinamometro in modo che la leva Si disponga orizzontalmente. Con un occhiello di filo appendere all’asticciola – tra il suo gancio centrale e il dinamometro – un gruppo di pesetti:l’asta si inclinerà dalla parte dei pesetti. Tirare dolcemente verso l’altro il dinamometro (alzando l’asta a cui è appeso) fino a riportare la leva in posizione orizzontale.

L’asticciola si comporta da leva di secondo genere con fulcro nel suo gancio centrale, forza resistente data dai pesetti e forza agente esercitata dal dinamometro, l’allungamento del quale da’ la misura dell’intensita’ della forza agente. Misurare il braccio della forza resistente (distanza gancio centrale – punto di applicazione dei pesetti) e quello della forza agente (distanza fulcro – punto di applicazione del dinamometro), quindi verificare che il prodotto dell’intensita’ di ciascuna forza per la misura del proprio braccio e’ costante.

Ripetere l’esperimento variando piu’ volte il numero dei pesi applicati.

Compilare una tabella come la seguente e verificare che i risutati della terza e della sesta colonna sono uguali.

braccio sinistro			braccio destro
forza (gr-p)	braccio (cm)	braccio forza x forza	Forza (gr-p)	braccio (cm)	braccio forza x forza

Notare in tabella che la forza agente e’ sempre minore della corrispondente forza resistente: la leva di secondo genere e’ sempre vantaggiosa.

Note: la disposizione indicata nel montaggio evita di dovere tener conto del peso dell’asticciola costituente la leva, peso che per quanto piccolo non e’ trascurabile. Inf atti qui e’ utilizzata solo metà dell’asticciola: l’altra metà si comporta da contrappeso alla prima. L’asticciola e’ in equilibrio gia’ prima che vi si applichino i pesetti e il dinamometro.

Esperimento 8

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· 1 sostegno con asta

· 2 morsetti

· asta da 30 cm

· asta da 50 cm

· asta con gancio centrale

· serie di pesetti

· dinamometro

· riga millimetrata

· filo

Esecuzione

Predisporre il montaggio di Figura 6, analogo a quello dell’esperimento precedente con la differenza che qui i pesetti sono applicati all’estremo dell’asticciola, mentre il dinamometro e’ agganciato tra il fulcro e il gruppo di pesetti.

Tirare dolcemente verso l’alto il dinamometro (facendo scorrere verso l’alto l’asta che lo sorregge) fino a portare la leva in posizione di equilibrio (orizzontale).

Figura 6

L’asticciola si comporta da leva di terzo genere con fulcro nel suo gancio centrale, forza resistente data dai pesetti e forza agente esercitata dal dinamometro. L’allungamento del dinamometro da’ la misura dell’intensita’ della forza agente.

Misurare il braccio della forza agente e quello della forza resistente, quindi verificare che il prodotto dell’intensita’ di ciascuna forza per la misura del proprio braccio e’ costante. Ripetere l’esperimento variando il numero di pesetti applicati e compilare una tabella analoga ila precedente.

Notare che la forza agente e’ sempre maggiore della corrispondente forza resistente: la leva di terzo genere e’ sempre svantaggiosa.

Esperimento 9

T medio (s)

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

Materiali occorrenti

· Un becher. (meglio un vaso Dewar o un thermos a bocca larga)

· Un termometro

· Una bacchetta di vetro

· Un fornello elettrico

· Un cilindro graduato

· Un cronometro

· Uno straccio (o presine isolanti)

Esecuzione

Misuriamo 300 ml d’acqua e versiamola nel becher e annotiamo la temperatura indicata dal termometro dell’apparecchio.

Accendiamo il fornello, attendiamo qualche minuto perché raggiunga la temperatura adatta, quindi poniamogli sopra il becher contenente l’acqua, facendo contemporaneamente partire il cronometro.

Rileviamo la temperatura ogni 15 secondi per due minuti e riportiamola sulla scheda di laboratorio.

Durante questa fase mescoliamo l’acqua con una bacchetta.

Alla fine dovrà essere completata una tabella come quella in basso.

Tempo (s)	Temperatura (°C)
0
15
30
45
60

Spegniamo ora il fornello e, usando uno straccio inumidito per non scottarci, e facendo sempre molta attenzione, togliamo il becher e gettiamo via l’acqua.

Aspettiamo almeno dieci minuti per consentire al becher di raffreddarsi un po’, quindi completiamo il raffreddamento mettendolo sotto l’acqua. Attenzione: non mettete acqua fredda nel becher se questo è ancora caldo perché rischiereste di romperlo.

Quando il vaso si è raffreddato asciughiamolo e quindi riempiamolo con una quantità doppia di acqua rispetto al caso precedente.

Ripetiamo poi l’esperienza secondo le modalità già viste. Questa volta otterremo una tabella come quella raffigurata qui a fianco.

Interpretazione dell’esperienza

Costruiamo con i dati delle nostre due tabelle i grafici relativi, riportando in ascissa il tempo e in ordinata la temperatura. Otterremo andamenti analoghi ai seguenti:

Che cosa osserviamo?

· Considerando che il fornello è sempre lo stesso, possiamo ritenere che il tempo di riscaldamento sia direttamente proporzionale alla quantità di calore che si trasferisce. Dunque, se il tempo di riscaldamento e la temperatura sono direttamente proporzionali, anche la quantità di calore e la temperatura (in realtà dovremmo parlare di intervallo di temperatura Dt) sono direttamente proporzionali.

· il grafico relativo alla seconda tabella testimonia che all’aumentare della massa d’acqua la temperatura, a parità di tempo e dunque a pari quantità di calore somministrato, aumenta meno di quanto accadeva nel caso precedente: si può dire anche che all’aumentare della massa, la temperatura cresce più lentamente.

Proviamo ora a calcolare, nei due casi, le differenze di temperatura Dt tra una misura e quella successiva. Otterremo altre due tabelle, come quelle sotto riportate.

Tempo (s)	DT (°C)
0
15
30
45

Osserviamo le due tabelle: che cosa notiamo?

Innanzitutto, analizzando separatamente i due casi, risulta evidente che la variazione di temperatura è pressoché costante per uguali intervalli di tempo, il che ribadisce la proporzionalità diretta tra quantità di calore e temperatura.

Passando poi alla comparazione tra le due tabelle appare chiaro che:

raddoppiando la massa d’acqua, la variazione di temperatura, a parità di tempo, diventa la metà (massa e variazione di temperatura sono inversamente proporzionali tra loro).

Conclusioni

Dalla prima osservazione possiamo dedurre che la quantità di calore assorbita dall’acqua è proporzionale alla sua variazione di temperatura, in altre parole che:

e dunque

La costante di proporzionalità C, detta capacità termica della sostanza, rappresenta la quantità di calore necessaria per elevare di i 0C la temperatura di una massa m di quella sostanza. Tale quantità è sempre positiva.

Dalla seconda osservazione, invece, possiamo concludere che la quantità di calore assorbita dall’acqua è proporzionale anche alla sua massa, quindi possiamo scrivere che:

La costante di proporzionalità c, detta calore specifico della sostanza, rappresenta la quantità di calore necessaria per elevare di 1°C la massa di un grammo di una certa sostanza. Tale quantità è ovviamente sempre positiva.

E’ anche palese che C = c m; in tutti i casi la capacità termica e il calore specifico sono grandezze caratteristiche della sostanza. Per renderci conto di ciò potremmo ripetere l’esperienza appena portata a termine, usando, al posto dell’acqua, una quantità uguale di un’altra sostanza (per esempio glicole etilenico: è il liquido usato come anticongelante nei radiatori). Vedremmo che, a parità di quantità di calore fornita, la temperatura raggiunta da questa sostanza è diversa da quella raggiunta dall’acqua nell’esperienza precedente.

Il calore specifico delle varie sostanze è riportato nella sottostante tabella. Esso dipende inoltre dallo stato di aggregazione: per questo nella tabella, accanto al suo valore, viene riportato l’intervallo di temperatura in cui esso è valido. In particolare, il valore del calore specifico dell’acqua allo stato liquido è, con buona approssimazione, uguale a 1 cal/g°C.

Sostanza

c (cal/g 0C)

temperatura (°C)

Acqua

ghiaccio

vapore acqueo

alluminio

argento

ferro

mercurio

nichel

oro

rame

stagno

zinco

0,53

0,48

0,214

0,0562

0,119

0,0315

0,109

0,0303

0,0936

0,0552

0,093

100

15-100

20-100

100-100

18-99

20-100

19-99

20-100

Esperimento 10

CAPACITÀ TERMICA

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

FINALITÀ DELL’ESPERIENZA

Verificare qual e la relazione tra la quantità di calore assorbita da un corpo e la sua variazione di temperatura

Verificare inoltre che, a parità di massa, la costante di proporzionalità c dipende dalla sostanza di cui e fatto il corpo (La quantità di calore Q scambiata da un corpo è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura Dt; Q/Dt = C La costante di proporzionalità C dipende dal corpo in esame e viene detta capacità termica del corpo.)

Materiali occorrenti

· Un becher.

· Del feltro o polistirolo per isolare termicamente il becher

· Un cilindro graduato.

· Duecento centimetri cubi di olio.

· Un termometro

· Un’asta con treppiede

· Un gancio con morsetto di fissaggio all’asta

· Un agitatore

· Un riscaldatore elettrico ad immersione.

· Un cronometro.

Esecuzione

Figura 7

Montiamo il materiale come illustrato nella Figura 7

Con il cilindro graduato misuriamo 200 cm3 di acqua e versiamola nel becher.

Accertiamoci che il bulbo del termometro sia lontano dal riscaldatore e che questo sia totalmente immerso nell’acqua.

Lasciamo che si raggiunga l’equilibrio termico.

Ciò avviene quando la temperatura segnata dal termometro si stabilizza.

Annotiamo la temperatura iniziale.

Iniziamo il riscaldamento e contemporaneamente facciamo partire il termometro.

Ogni cinque minuti rileviamo la temperatura, fino a che questa raggiunge il valore di circa 800C.

Riportiamo i dati ottenuti in una tabella e tracciamo il relativo grafico.

Se il funzionamento del riscaldatore è regolare possiamo considerare la quantità di calore da esso fornita proporzionale al tempo.

Poiché sappiamo che, assumendo come unità di misura del calore le grandi calorie, 0,2 kg di acqua hanno una capacità termica di 0,2 kcal /0C, dal grafico ricaviamo la quantità di calore fornita mediamente ogni minuto dal riscaldatore.

Ripetiamo la prova con l’olio.

Ricaviamo la capacità termica dell’olio.

RACCOLTA ED ELABORAZIONE DEI DATI E VALUTAZIONE DEGLI ERRORI

Assumiamo l’errore assoluto della temperatura uguale alla sensibilità del termometro. Consideriamo trascurabile l’errore commesso nella determinazione del tempo e quindi del calore fornito.