Conoscenze e abilità che devono accompagnare gli studenti lungo tutto il quinquennio di fisica

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1 SYLLABUS DI FISICA Elaborato nell'ambito del progetto Liceo Scientifico opzione Scienze Applicate e abilità che devono accompagnare gli studenti lungo tutto il quinquennio di fisica Conoscere Saper Fare Acquisizione del metodo scientifico: esplorare, misurare, interpretare e comunicare Elementi di teoria della misura, errori, Saper organizzare la raccolta di misure. approssimazioni, grafici, istogrammi, medie. Valutare le caratteristiche degli strumenti di misura: Conoscere che l utilizzo degli strumenti influisce portata e sensibilità. Saper leggere gli strumenti di sulla misura. misura. Conoscere come si utilizzano semplici e comuni Saper ordinare i dati e i risultati in tabelle, grafici e strumenti e dispositivi sperimentali come calibri, istogrammi. termometri, volt-ohm-ampero-metri, semplici Saper identificare in maniera appropriata le cause di sistemi ottici. errore e stimare la loro influenza sui risultati finali della misura. Usare modelli matematici per descrivere le relazioni tra le variabili coinvolte in un dato fenomeno Saper trasformare in forma lineare una relazione tra due grandezze con una scelta appropriata delle variabili ed approssimare linearmente una serie di punti sperimentali, tracciando manualmente e con l ausilio di strumenti informatici linee di tendenza di dati sperimentali linearizzati, determinando i valori dei coefficienti e intercette e interpretandone i significati fisici. Obiettivi I Biennio Conoscere Caratteristiche della materia Fenomeni Termici Dalle proprietà dei materiali alla struttura microscopica della materia Il volume come misura della quantità di materia e suoi inconvenienti La massa come misura della quantità di materia Capacità termica e calore specifico Stati della materia e cambiamenti di stato Proprietà dei materiali in termini di fenomenologie e grandezze fisiche macroscopiche indicative della Saper Fare Progettare ed eseguire esperimenti di misura del volume. Indagare cosa succede al volume e alla massa nelle trasformazioni Descrivere fenomeni in cui avviene un trasferimento di energia in presenza di una differenza di temperatura Rilevare temperature in diversi fenomeni (riscaldamento, raffreddamento, cambiamento di stato) e analizzarne l andamento in funzione del tempo Progettare ed eseguire esperimenti di misura della densità di solidi, liquidi e gas

2 loro struttura microscopica Modello atomico-molecolare della materia dal punto di vista fisico-chimico per solidi liquidi e gas Interazione e Forza Forze come descrittori delle interazioni tra corpi (forze meccaniche elettriche e magnetiche) Il Peso Le forze elastiche L attrito e la resistenza del mezzo Momento di una forza e di una coppia di forze Equilibrio tra forze in situazioni statiche Effetti dinamici delle forze: primo e secondo principio della dinamica Aspetti Storici Evoluzione dei concetti di massa, di forza e di interazione Individuare grandezze fisiche (densità, viscosità, calore specifico, conducibilità termica o elettrica) indicative della struttura microscopica della materia Descrivere ed argomentare gli indizi che supportano l ipotesi atomico-molecolare della materia e le idee sulla struttura degli atomi Individuare fenomeni elettrici come spie della esistenza di cariche negli atomi Sommare e scomporre forze Individuare in modo grafico e sperimentale il baricentro di corpi di forma semplice Misurare la forza di attrito tra solidi in situazioni statiche e dinamiche. Studiare il comportamento di elastici e molle sollecitati da forze Descrivere l effetto prodotto dall applicazione di coppie di forze ed effettuare misurazioni per determinare il momento risultante in situazioni di equilibrio Realizzare misurare e discutere situazioni di moto in cui la risultante delle forze è nulla o diversa da zero Misurare posizioni velocità e accelerazione di un corpo e porle in relazione con le forze agenti Rilevare moti di caduta di corpi diversi e fare ipotesi sulle cause di eventuali differenze riscontrate. Fluidostatica La pressione in un fluido e la sua misura, la pressione atmosferica, la legge di Stevino. Galleggiamento. Tensione superficiale Spazio tempo e moto Sistemi di riferimento spazio temporali e descrizione dei moti Il moto rettilineo, spostamento, velocità ed accelerazione. Moto relativo e composizione delle velocità Moti periodici ed oscillatori Realizzare semplici esperimenti che mettano in luce l indipendenza della pressione di un fluido dalla direzione considerata. Realizzare semplici esperimenti di applicazione del principio di Archimede. Saper risolvere esercizi sulla pressione nei fluidi e su semplici applicazioni della legge di Stevino. Misurare distanze ed intervalli di tempo Distinguere tra velocità medie ed istantanee Rappresentare moti vari osservati nella vita quotidiana in grafici (s,t) e (v,t) ed utilizzarli per risolvere problemi Misurare la frequenza di fenomeni periodici con riferimento alla misurazione del tempo

3 Fenomeni luminosi Storia dei modelli interpretativi della propagazione della luce e della fenomenologia della visione Sorgenti luminose e propagazione della luce Ottica geometrica e formazione delle immagini Dispersione della luce e spettro della luce visibile Illuminazione di un corpo: intensità luminosa, riflessa, diffusa, trasmessa e assorbita. I colori dei corpi Meccanismo della visione Realizzare esperienze di riflessione, rifrazione e diffusione e descriverle utilizzando il modello dell ottica geometrica Spiegare la trasmissione della luce mediante le fibre ottiche (Misurare intensità luminose incidenti, riflesse e trasmesse da corpi trasparenti in funzione del loro spessore e della distanza dalla sorgente) II Biennio Classe III Fenomeni Meccanici Moto in due e tre dimensioni Moto parabolico Moto circolare Moti periodici ed oscillatori Oscillazioni forzate e risonanza Applicare le proprietà vettoriali di spostamento, velocità ed accelerazione per analizzare moti in due e in tre dimensioni Ricavare vettorialmente direzione verso dell accelerazione per moti qualsiasi su traiettoria curva e applicare i risultati al caso del moto circolare uniforme. Ricavare, velocità e accelerazione del moto armonico come proiezione sul diametro del moto circolare uniforme. Spiegare la relazione tra l ampiezza di oscillazioni forzate e la frequenza della sollecitazione applicata Dinamica del punto materiale Prima, seconda e terza legge della dinamica Sistemi di riferimento inerziali e relatività galileana Conoscere il valore delle semplificazioni legate alla scelta del sistema di riferimento inerziale Sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti Limiti di applicabilità della relatività galileana Impulso della forza e variazione della quantità di moto. Quantità di moto relativistica Individuare e descrivere le interazioni tra corpi vincolati e vincoli. Saper valutare nelle varie circostanze se è lecito considerare inerziale il sistema di riferimento usato. Descrivere la differenza tra sistemi inerziali e non inerziali dando esempi degli uni e degli altri Distinguere con criteri appropriati le forze apparenti da quelle attribuibili ad interazioni Saper scrivere l equazione della dinamica per punti materiali soggetti a forze (forza peso, reazioni vincolari, forze elastiche, forze di attrito) e saperla risolvere in casi semplici.

4 Dinamica dei sistemi Sistemi isolati: conservazione della quantità di moto Moto rotatorio, momento angolare e sua conservazione Energia e lavoro Lavoro e trasferimento di energia Energia potenziale Energia meccanica dei corpi in movimento Energia nel moto rotatorio Conservazione e dissipazione dell energia meccanica Bilanci energetici Potenza Conoscere la dinamica dell oscillatore armonico Saper riconoscere se un sistema è isolato Eseguire esperimenti sulla conservazione della quantità di moto in sistemi inerziali Descrivere e modellizzare fenomeni quotidiani riguardanti la conservazione del momento della quantità di moto e del momento angolare. Individuare e descrivere con esempi tratti dalla vita quotidiana situazioni in cui l energia meccanica si presenta come cinetica e come potenziale e diversi modi di trasferire, trasformare e immagazzinare energia. Servirsi della conservazione dell energia meccanica per analizzare situazioni anche complesse in sistemi con attriti trascurabili Applicare il principio di conservazione dell energia alla soluzione di semplici problemi anche in presenza di forze dissipative La gravitazione universale e la dinamica del Sistema Solare Il moto dei pianeti e la gravitazione universale Aspetto predittivo della meccanica newtoniana Fluidodinamica Fluidi reali e fluidi ideali. Flusso e continuità. Equazione di Bernoulli Applicare la legge di gravitazione universale e i principi di conservazione dell energia al moto dei pianeti Spiegare perché i corpi in caduta libera sono in condizioni di assenza di peso e perché i satelliti artificiali intorno alla Terra ei pianeti intorno al Sole sono in caduta libera. Saper applicare l equazione di continuità e l equazione di Bernoulli alla risoluzione di semplici problemi e alla spiegazione di fenomeni frequentemente osservati nella vita quotidiana. CLASSE IV Fenomeni meccanici Onde meccaniche Aspetti dinamici ed energetici della propagazione di onde in sistemi continui Propagazione di perturbazioni nella materia: vari tipi di onde Produrre onde impulsive, osservare e descriverne qualitativamente le caratteristiche Produrre osservare e descrivere fenomeni di riflessione e rifrazione di onde Descrivere la propagazione delle onde armoniche in

5 Frequenza, intensità e sovrapposizione di onde armoniche Riflessione e rifrazione di onde meccaniche Principio di sovrapposizione, interferenza e diffrazione di onde armoniche Intensità, timbro e altezza del suono relazione alla sorgente e al mezzo: frequenza, ampiezza, velocità di propagazione, lunghezza d onda fase. Descrivere le caratteristiche cinematiche e dinamiche delle onde stazionarie Fenomeni Termici Equilibrio termico e temperatura Differenze di temperatura e flusso di energia termica: il calore Scala assoluta di temperatura ed equazione di stato dei gas Primo principio della termodinamica Stati e trasformazioni termodinamiche Descrizione microscopica dei gas Equipartizione dell energia Cicli termodinamici e rendimento di una macchina termica Secondo principio della termodinamica ed entropia Entropia e probabilità Il teorema H di Boltzmann Aspetti storici Dalla teoria del calorico ai principi della termodinamica Invenzione della macchina a vapore Verso rendimenti maggiori La gara verso le basse temperature Misurare il calore specifico di diversi materiali Misurare variazioni di pressione, volume e temperatura nei gas e cercare le relazioni tra i dati Misurare l equivalente meccanico della caloria Descrivere processi e trasformazioni termodinamiche Illustrare il significato microscopico di temperatura e pressione Confrontare e spiegare diagrammi di Maxwell della distribuzione delle velocità molecolari in funzione della temperatura Descrivere cicli termodinamici, confrontare il funzionamento e il rendimento di diverse macchine termiche. Misurare il rendimento di alcune semplici macchine termiche Misurare la variazione di entropia in trasformazioni di stato (fusione del ghiaccio, fusione della naftalina) Descrivere ed interpretare processi termodinamici mettendo in evidenza la conservazione dell energia e la sua degradazione Calcolare la variazione di entropia in trasformazioni termodinamiche Mettere in relazione la probabilità di uno stato termodinamico con la molteplicità dei suoi microstati Correlare lo stato di equilibrio con lo stato di massima probabilità Saper illustrare il teorema H di Boltzmann Fenomeni Luminosi Ottica geometrica Riflessione e rifrazione della luce: specchi, diottri e lenti

6 Onde luminose Fenomeni di diffrazione e interferenza Fenomeni di polarizzazione Aspetti storici Evoluzione storica delle idee delle idee sulla natura della luce La misura della velocità della luce Osservare e spiegare l interferenza e la diffrazione della luce attraverso fenditure singole e multiple Osservare e spiegare fenomeni di interferenza della luce prodotti da pellicole sottili Spiegare perché la diffrazione e l interferenza della luce dimostrano la sua natura ondulatoria Misurare la frequenza della luce monocromatica utilizzando la diffrazione e/o l interferenza Operare con lamine polarizzatrici per evidenziare il comportamento della luce polarizzata Riconoscere nella polarizzazione un indizio a favore della luce come onda trasversale Interpretare i colori della luce visibile in termini di frequenze e lunghezze d onda Individuare differenze e somiglianze negli spettri di emissione di diverse sorgenti Fenomeni Elettrici Forze tra cariche elettriche e legge di Coulomb Differenza di potenziale elettrico Campo Elettrico: definizione e proprietà Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss Capacità elettrica Moto di particelle cariche in campi elettrici Intensità di corrente Isolanti e conduttori Resistenza elettrica e legge di Ohm Potenza elettrica. Potenza dissipata. Effetto Joule Eseguire ed interpretare esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione tra cariche elettriche. Rappresentare graficamente il vettore campo elettrico generato da una o più sorgenti puntiformi Applicare il concetto di flusso dei campi elettrici per la soluzione di semplici problemi di determinazione del campo elettrico in situazioni di elevata simmetria Evidenziare le tracce delle superfici equipotenziali associate al campo elettrico e verificare le loro relazioni direzionali con le linee di campo Descrivere somiglianze e differenze tra campi elettrostatici e gravitazionali Spiegare il funzionamento del condensatore Realizzare semplici circuiti elettrici con alimentatori, carichi ohmici, collegamenti in serie e in parallelo Misurare intensità di corrente, differenze di potenziale e resistenze elettriche riconoscendo le relazioni di conservazione e di proporzionalità Misurare i tempi di carica e scarica di un condensatore in un circuito RC e saper elaborare il modello descritto dai dati

7 Classe V Fenomeni Elettromagnetici Forze magnetiche (su cariche elettriche in movimento, fra magneti, fra corrente elettrica e magnete, fra correnti elettriche) Campo magnetico:definizione e proprietà La circuitazione del campo magnetico e la legge di Amperè. Induzione: Leggi di Faraday-Neumann, Lenz Autoinduzione e Mutuainduzione Extracorrenti ed extratensioni di apertura e chiusura in circuiti LR Corrente alternata Le equazioni di Maxwell Onde elettromagnetiche Non invarianza delle equazioni di Maxwell per trasformazioni Galileane Eseguire esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione magnetica Confrontare le caratteristiche di campi elettrici e magnetici Evidenziare sperimentalmente determinare e rappresentare graficamente i vettori campo magnetico generati da correnti elettriche di semplice geometria (filo rettilineo indefinito, spira circolare, solenoide) Spiegare l andamento del campo geomagnetico e misurarne la componente orizzontale Studiare il moto di particelle cariche in campi magnetici Determinare forze e momenti agenti su conduttori percorsi da corrente immersi in un campo magnetico Effettuare esperimenti che mettono in evidenza fenomeni di induzione elettromagnetica Descrivere modi di trasformazione di energia elettrica in meccanica e viceversa. Saper riconoscere i principi di funzionamento di dinamo, generatori, motori, trasformatori elettrici. Saper risolvere semplici circuiti LR Saper risolvere semplici problemi riguardanti la mutua e l autoinduzione Analizzare il comportamento di semplici circuiti oscillanti Risolvere problemi su semplici circuiti elettrici in corrente alternata Risolvere semplici problemi riguardanti produzione, trasporto e trasformazione di energia mediante corrente elettrica alternata. Individuare le proprietà di sorgenti e di rivelatori di onde elettromagnetiche Classificare le radiazioni elettromagnetiche e descriverne le interazioni con la materia (anche vivente) in base alle diverse lunghezze d onda Connessione tra elettromagnetismo, velocità della luce e relatività Fenomeni meccanici: moto e relatività Limiti di applicabilità della relatività galileana Velocità della luce nel vuoto Dilatazione del tempo, contrazione delle lunghezze, simultaneità Le trasformazioni di Lorentz Spiegare perché le conclusioni della relatività ristretta su simultaneità, dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze sono conseguenze dell invarianza della velocità della luce nel vuoto Discutere l effetto Doppler luminoso e confrontarlo

8 Quantità di moto ed energia relativistiche La relazione massa-energia e le sue implicazioni Principi di equivalenza e di relatività generale con l effetto Doppler acustico Descrivere effetti relativistici e calcolarne l ordine di grandezza valutando le condizioni di applicabilità della meccanica newtoniana Illustrare l equivalenza massa-energia descrivendo e analizzando fatti e fenomeni appropriati Analizzare alcuni fenomeni di relatività generale, come ad esempio la deflessione della luce nel campo gravitazionale, descrivendone le conseguenze per la ricerca astronomica e per la misurazione del tempo (rallentamento degli orologi) Materia Particelle e Campi Struttura microscopica della materia: atomi, nuclei e particelle La natura duale dell onda elettromagnetica Le proprietà del fotone e le basi della meccanica quantistica Spettri atomici e atomo di Bohr De Broglie e le proprietà ondulatorie della materia. La diffrazione degli elettroni Isotopi radiattività e struttura del nucleo, protoni e neutroni Equivalenza massa energia ed energia di legame dei nucleoni nei nuclei. L interazione nucleare forte. I diversi tipi di decadimento radiativo. L interazione nucleare debole. Aspetti storici: Il periodo di transizione dalla fisica classica alla fisica quantistica nuove scoperte, limiti teorici e idee fondamentali alla base della formulazione della meccanica quantistica Descrivere ed interpretare alcuni esperimenti basilari: effetto fotoelettrico, esperimento di Frank Hertz, esperimento di Compton Individuare differenze e somiglianze negli spettri di emissione di diverse sorgenti Riconoscere spettri atomici ed interpretarli nell ambito del modello atomico di Bohr Analizzare figure di diffrazione di fotoni ed elettroni Calcolare il bilancio di energia, massa e carica in reazioni nucleari Usare contatori Geiger portatili per rilevare e misurare radiazioni di fondo e radioattività ambientale Costruire modelli di decadimenti radiativi e illustrare il concetto di vita media Descrivere ed interpretare il grafico Z/A relativamente alla massa dei nuclei Individuare fenomeni significativi in cui intervengono i diversi tipi di interazione fondamentale e classificarne il rispettivo raggio di azione Riconoscere la generalizzazione del concetto di campo valido per qualsiasi tipo di interazione fondamentale

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