FISICA MODERNA PER LA SCUOLA SUPERIORE

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1 FISICA MODERNA PER LA SCUOLA SUPERIORE 1.1 opportunità problemi alcune risposte Marco Giliberti

2 O P P O R T U N I T A FQ ha un grande valore culturale ed è importante per il PIL! SIF: The impact of physics on the Italian economy Genera un grande interesse nei ragazzi Genera motivazione Gli studenti alla fine del liceo hanno già molte idee su punti importanti di FM E poi FM ha più di un secolo di vita! Opportunità di rivedere tutto l insegnamento della fisica che va ripensato, almeno nel triennio, se la FM è il culmine dell intero percorso E una sfida che non possiamo permetterci di perdere

3 O P P O R T U N I T A CREARE SINERGIE Formazione iniziale (TFA) e continua (Master IDIFO) ecc. degli insegnanti Laboratori PLS Suole estive per studenti Rendere più evidente il lavoro e le ricerche dei PERG italiani

4 O P P O R T U N I T A RIFLETTERE quale FQ proporre nella SSS per quali scopi con quali contenuti con quale approccio quali possano/debbano essere i rapporti con le indicazioni ministeriali i manuali scolastici tra la ricerca in didattica della fisica e la prassi scolastica

5 DOMANDE Quali aspetti concettuali fondamentali di FQ il cittadino di media cultura dovrebbe conoscere? Perché? Quali obiettivi culturali e disciplinari relativi a FQ sono proponibili a studenti di SSS? Quale ruolo gioca il formalismo all interno di tali obiettivi? Quali ricostruzioni didattiche dei contenuti possono rappresentare quadri concettuali opportuni per ottenere tali obiettivi? E possibile presentare in maniera onesta e significativa la FQ nella SSS?

6 RISULTATI DELLE RICERCHE Molti allievi universitari mostrano grandi difficoltà nella comprensione degli aspetti rilevanti di FQ Spesso gli insegnanti di SSS non possiedono un quadro coerente di FQ Grandi difficoltà degli studenti di SSS ad affrontare i principali aspetti concettuali di FQ

7 RISULTATI DELLA RICERCA L approccio tradizionale all insegnamento di FQ è causa di profondi fraintendimenti e incomprensioni Non basta un insegnamento concettualmente attento e coerente per risolvere il problema, se si rimane all interno dell insegnamento «standard»

8 In primo luogo il nostro linguaggio descrive un immagine. Che cosa si debba fare di quest immagine, in qual modo la si debba impiegare, rimane oscuro. Ma è chiaro che, se vogliamo comprendere il senso di quello che diciamo, dobbiamo esplorare l immagine. Ma l immagine sembra risparmiarci questa fatica; allude già a un impiego determinato. Così si beffa di noi. Wittgenstein Philosophical investigations Dobbiamo innanzitutto occuparci dell immagine della Fisica Moderna: Quella nella scuola Quella nella società Quella che vogliamo portare

9 [ciò] a cui diamo il nome di realtà è soggetto a continui cambiamenti perché lo status delle entità che dovrebbero formare questa realtà è molto flessibile Es tempo assoluto etere luminifero atomo Bellone L'origine delle teorie

10 Per questo motivo, non è possibile separare l oggetto della conoscenza dallo strumento di conoscenza: devono essere considerati come un tutto unico Le teorie sono costruzioni mentali che ci aiutano a trovare e a definire la realtà e a utilizzare le sue risorse

11 L indagine fisica comincia con schemi e concetti che non hanno bisogno di essere spiegati dalle teorie linguaggio e nozioni comuni Procede introducendo altri concetti per mezo di quello che chiamiamo preteorie spiegazioni fisiche date per vere per es. Il comportamento degli strumenti di misura Infine, arriviamo alle teorie fisiche determinate dai concetti di base introdotti sopra (schemi comuni + preteorie) + nuovi concetti disciplinari ben definiti e formalizzati Ludwig, Thurler New foundation of physical theories

12 Una spiegazione scientifica è una storia su come alcune entità immaginate, considerate reali, avrebbero agito insieme, secondo la lora natura, per produrre il fenomeno da spiegare Ogborn Science and Commonsense Il valore di verità di una teoria è dato dall insieme completo del suo formalismo matematico, dal suo campo di applicabilità an dale regole di corrispondenza tra questi due. Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica

13 ESEMPIO Nella descrizione meccanica del mondo, alla parola forza viene spesso assosiata una realta in sè, come se le forze fossero elementi di realtà indipendenti ed esterni. Al contrario, in fisica, esse ricevono significato nel contesto della teoria newtoniana con i suoi 3 principi La meccanica newtoniana non è un modo di descrivere le forze, ma uno schema concettuale nel quale le forze, attraverso le loro connessioni formali con altri elementi della teoria, derivano il loro significato e diventano parte della realtà Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica

14 L espressione FQ nasconde idee e aspetti molto diversi I OLD QUANTUM PHYSICS Fatti e interpretazioni dal 1900 al 1925 radiazione di corpo nero (Planck) effetto fotoelettrico (Einstein) atomo di Bohr E un insieme di modelli con l idea di fondo dell esistenza dei quanti

15 II MECCANICA QUANTISTICA Formalismo dato da Heisenberg, Jordan, e Born, oppure da Schrödinger e Dirac E una teoria non relativistica con precisi assiomi che descrivono il comportamento di un numero finito di particelle interagenti Ci sono molte formulazioni differenti della MQ: Heisenberg / wave function / path integral / second quantization / pilot wave /... Weinberg The quantum theory of fields

16 III TEORIA QUANTISTICA DEI CAMPI E una teoria quantistica relativistica Ogni teoria quantistica relativistica avrà l aspetto della TQC a energia sufficientemente basse QED è una TQC. E solo in QED il concetto di fotone è ben definito Il modello standard è un modello di TQC Weinberg The quantum theory of fields

17 Molto spesso le interpretazioni divulgative, ma anche quelle didattiche! Mischiano queste 3 parti con grande ingenuità grande problema Questo non succede con l insegnamento di Meccanica Termodinamica Elettromagnetismo Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica

18 R I S P O S T E Invece dobbiamo: 1) Scegliere una teoria di riferimento in una delle sue formulazioni 2) Identificare i concetti della teoria (quello di cui parla quello di cui si può parlare) 3) Capire le loro relazioni e ii loro significato all interno della teoria Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica

19 R I S P O S T E Obiettivi formativi per insegnanti Consapevolezza che lo sviluppo teorico della fisica quantistica non si è esaurito con la formulazione della meccanica quantistica nel 1926 Consapevolezze della necessità di avere come riferimento una precisa teoria fisica formale Consapevolezza del cambiamento di significato di alcuni fondamentali concetti quantistici nel passare dalla prima vecchia teoria dei quanti, alla meccanica quantistica e infine alla teoria quantistica dei campi di oggi, anche alla luce di esperimenti recenti

20 R I S P O S T E Consapevolezza della dipendenza delle concezioni difformi degli studenti dal tipo di approccio seguito per la presentazione della fisica quantistica Consapevolezza dell importanza, ai fini di una presentazione didattica, di rivedere la fisica anche quella cosiddetta classica dal punto di vista della fisica di oggi Consapevolezza della non univocità delle scelte didatticamente efficaci, con la conseguente libertà dell insegnante di proporre una propria Weltanshauung, vincolata dalla conoscenza delle interrelazione tra formulazioni diverse e delle loro soggiacenti rappresentazioni ontologiche del mondo.

21 R I S P O S T E obiettivi indispensabili/pragmatici idea di quanto come fondamentale nella descrizione delle interazioni «microscopiche» necessità di una teoria lineare nella descrizione dei sistemi quantistici che si sviluppa da una teoria delle onde genuinità della descrizione probabilistica in FQ relazioni di De Broglie relazioni di Heisenberg livelli energetici discreti per sistemi confinati applicazioni della teoria per capire il mondo

22 R I S P O S T E Indicazioni personali ricavate dalla ricerca Inopportuna l insistenza sulla tradizionale «crisi» della FC con un approccio (pseudo)storico (si recupera dopo) Oggi conosciamo molta fisica in più, molti fatti sperimentali. Perché complicarci la vita per seguire un percorso (pseudo)storico? Oggi abbiamo fatti sperimentali molto eloquenti che si capiscono più facilmente Inopportunità di partire dal problema del corpo nero (ci vuole proprio troppa fisica per capirlo) Inopportuna l insistenza su modelli ad hoc (per. es. dell atomo) basati sulla OQT Inopportuno chiacchierare sugli aspetti epistemologici tendendo a essere divulgativi