Sillabo delle Olimpiadi Internazionali di Fisica

(Nella forma approvata a Groningen -NL- nel luglio 1990)

Parte generale

a) Tutti i problemi dovrebbero poter essere risolti usando solo occasionalmente il calcolo differenziale (derivazione ed integrazione) e senza far ricorso ai numeri complessi o alla soluzione di equazioni differenziali.

b) I problemi possono riferirsi a concetti e fenomeni non previsti nel Sillabo che però dovranno essere descritti nel testo del quesito in maniera tale che non siano svantaggiati i concorrenti che non conoscano già tali argomenti.

c) Nei problemi sperimentali non deve essere determinante l'uso di dispositivi complicati, probabilmente non noti ai concorrenti. Se si usano tali dispositivi, si dovranno fornire ai concorrenti accurate istruzioni.

d) I concorrenti dovrebbero conoscere i temi trattati nei problemi proposti nelle passate Olimpiadi Internazionali di Fisica.

Parte teorica

1. Meccanica

a) Fondamenti della cinematica del punto materiale.	Espressione vettoriale della posizione, velocità ed accelerazione di un punto materiale.
b) Leggi di Newton, sistemi inerziali.	Possono venire proposti problemi con masse variabili.
c) Sistemi chiusi ed aperti, quantità di moto ed energia, lavoro e potenza.
d) Conservazione dell'energia, conservazione della quantità di moto, impulso.
e) Forze elastiche, forze d'attrito, legge di gravitazione, energia potenziale e lavoro in un campo gravitazionale.	Legge di Hooke; coefficiente d'attrito (F = k N); attrito statico e dinamico; scelta dello zero dell'energia potenziale.
f) Accelerazione centripeta e leggi di Keplero.

2. Meccanica dei corpi rigidi e dei fluidi

a) Statica, centro di massa e momento delle forze.	Coppie, condizioni di equilibrio dei corpi.
b) Moto dei corpi rigidi, traslazione e rotazione, accelerazione angolare, conservazione del momento angolare.	Conservazione del momento angolare solamente nella rotazione attorno ad un asse fisso.
c) Forze esterne ed interne, equazione del moto di un corpo rigido attorno ad un asse fisso, momento d'inerzia, energia cinetica di un corpo in rotazione.	Teorema di Steiner; additività dei momenti d'inerzia.
d) Sistemi di riferimento accelerati, forze inerziali.	Non è richiesta la conoscenza dell'espressione della forza di Coriolis.

3. Idrodinamica

Non si porranno domande specifiche su questo argomento ma gli studenti dovrebbero possedere nozioni elementari sulla pressione, il galleggiamento e l'equazione di continuità.

4. Termodinamica e fisica molecolare

a) Energia interna, lavoro e calore, primo e secondo principio della termodinamica.	Equilibrio termico. Variabili di stato e variabili di processo.
b) Modello di gas perfetto, pressione ed energia cinetica molecolare. Numero di Avogadro, equazione di stato dei gas perfetti, temperatura assoluta.	Approccio molecolare a semplici fenomeni come l'ebollizione, la fusione e simili.
c) Lavoro di espansione di un gas limitatamente alle trasformazioni isoterme ed adiabatiche.	Non è richiesta la dimostrazione delle equazioni delle trasformazioni adiabatiche.
d) Ciclo di Carnot, rendimento termodinamico, processi reversibili (approccio statistico), fattore di Boltzmann.	Entropia come funzione di stato, variazioni di entropia e reversibilità, processi quasi-statici.

5. Oscillazioni ed onde

a) Oscillazioni armoniche e loro equazioni.	Soluzione dell'equazione del moto armonico; smorzamento e risonanza in forma qualitativa.
b) Onde armoniche, propagazione; onde longitudinali e trasversali, polarizzazione lineare, effetto Doppler classico, onde sonore.	Spostamento in un'onda che si propaga, comprensione della rappresentazione grafica della onda, misure delle velocità del suono e della luce. Effetto Doppler, solamente in una dimensione. Propagazione delle onde in mezzi omogenei ed isotropi; riflessione e rifrazione. Principio di Fermat.
c) Sovrapposizione di segnali armonici, onde coerenti, interferenza, battimenti, onde stazionarie.	Proporzionalità dell'intensità di un'onda al quadrato della sua ampiezza. Non è richiesta l'analisi di Fourier, ma i concorrenti dovrebbero sapere che un'onda complessa può essere espressa dalla somma di onde sinusoidali di diversa frequenza. Interferenza dovuta a pellicole sottili o ad altri sistemi semplici; sovrapposizione di onde emesse da sorgenti secondarie (diffrazione).

6. Carica elettrica e campo elettrico

a) Conservazione della carica, legge di Coulomb.
b) Campo elettrico, potenziale, teorema di Gauss.	L'applicazione del teorema di Gauss è limitata a semplici sistemi dotati di simmetria, come sfere, cilindri, piani ecc. Momento di dipolo elettrico.
c) Condensatori, capacità, costante dielettrica, densità di energia di un campo elettrico.

7. Corrente e campo magnetico

a) Corrente, resistenza, resistenza interna di un generatore, legge di Ohm, leggi di Kirchhoff, lavoro e potenza di correnti continue ed alternate, legge di Joule.	Semplici circuiti a componenti non ohmici con caratteristiche tensione-corrente note.
b) Induzione magnetica di un campo generato da una corrente, correnti in campo magnetico, forza di Lorentz.	Particelle cariche in un campo magnetico: semplici applicazioni, come il ciclotrone; momento di dipolo magnetico.
c) Legge di Ampère.	Campo magnetico di semplici sistemi simmetrici come fili rettilinei, spire circolari e solenoidi infiniti.
d) Legge dell'induzione elettromagnetica, flusso magnetico, legge di Lenz, autoinduzione, induttanza, permeabilità, densità di energia di un campo magnetico.
e) Corrente alternata, resistori, induttori e condensatori in circuiti a corrente alternata; tensione e corrente, collegamenti in serie e parallelo, risonanza.	Semplici circuiti a c.a. Costanti di tempo. Non si richiedono le formule relative ai parametri di circuiti reali in condizioni di risonanza.

8. Onde elettromagnetiche

a) Circuiti oscillanti, frequenza della oscillazione, generazione per risonanza e per retroazione.
b) Ottica ondulatoria, diffrazione da una e due fenditure, reticolo di diffrazione, potere risolutivo di un reticolo, riflessione di Bragg.
c) Dispersione e spettri di diffrazione, spettri a righe dei gas.
d) Onde elettromagnetiche come onde trasversali, polarizzazione per riflessione e polarizzatori.	Sovrapposizione di onde polarizzate.
e) Potere risolutivo di sistemi ottici.
f) Corpo nero, legge di Stefan-Boltzmann.	E’ richiesta la formula di Planck.

9. Fisica dei quanti

a) Effetto fotoelettrico, energia e impulso del fotone.	E’ richiesta la formula di Einstein.
b) Lunghezza d'onda di De Broglie, principio di indeterminazione.

10. Relatività

a) Principio di relatività, composizione delle velocità, effetto Doppler relativistico.
b) Equazioni relativistiche del moto, momento, energia, relazione tra massa ed energia, conservazione dell'energia e del momento.

11. Struttura della materia

a) Semplici applicazioni dell'equazione di Bragg.
b) Livelli energetici degli atomi e delle molecole (qualitativamente), emissione, assorbimento, spettro di atomi idrogenoidi.
c) Livelli di energia dei nuclei (qualitativamente), decadimento alfa, beta e gamma, assorbimento di radiazione, vita media e decadimento esponenziale, componenti dei nuclei, difetto di massa, reazioni nucleari.

Parte pratica

(Approvata a Londra-Harrow (GB) nel luglio 1986)

La parte teorica del Sillabo costituisce la base per tutti i problemi sperimentali. I problemi assegnati nella gara sperimentale dovrebbero prevedere l'esecuzione di misure.

Si richiede che:

1) i concorrenti si rendano conto del fatto che l'uso degli strumenti influisce sulla misura;

2) siano note le più comuni tecniche di misura delle grandezze fisiche menzionate nella parte teorica del Sillabo;

3) siano noti semplici e comuni strumenti e dispositivi sperimentali, come calibri, termometri, semplici volt-ohm-ampero-metri, potenziometri, diodi, transistor, semplici sistemi ottici e così via;

4) si sappiano usare, con l'aiuto di appropriate istruzioni, alcuni strumenti più complicati, come oscilloscopi a doppia traccia, contatori, frequenzimetri, generatori di segnali e funzioni, convertitori analogico-digitali collegati ad un computer, amplificatori, integratori, differenziatori, alimentatori e strumenti universali sia analogici che digitali;

5) si sappiano identificare in maniera appropriata le cause d'errore e stimare la loro influenza sui risultati finali della misura;

6) si sappiano trattare gli errori assoluto e relativo, la precisione degli strumenti di misura, l'errore di una singola misura, l'errore di una serie di misure, l'errore di una grandezza espressa in funzione di grandezze misurate;

7) si sappia trasformare in forma lineare una relazione tra due grandezze con una scelta appropriata delle variabili ed approssimare linearmente una serie di punti sperimentali;

8) si sappia fare un uso appropriato della carta millimetrata con scale differenti (per es. polare e logaritmica);

9) si sappiano esprimere i risultati finali e gli errori, correttamente arrotondati e col numero appropriato di cifre significative;

10) si conoscano le norme di sicurezza nel lavoro di laboratorio. (Comunque, se il sistema sperimentale pone problemi di sicurezza, appropriate segnalazioni dovranno essere incluse nel testo del problema.)

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