Liceo Scientifico A.Righi Dipartimento di Matematica e Fisica

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1 Liceo Scientifico A.Righi Dipartimento di Matematica e Fisica Fisica, classi quinte Programmazione di dipartimento Premessa: le Indicazioni Nazionali. Linee generali e competenze Al termine del percorso liceale lo studente avrà appreso i concetti fondamentali della fisica, le leggi e le teorie che li esplicitano, acquisendo consapevolezza del valore conoscitivo della disciplina e del nesso tra lo sviluppo della conoscenza fisica ed il contesto storico e filosofico in cui essa si è sviluppata. In particolare, lo studente avrà acquisito le seguenti competenze: osservare e identificare fenomeni; formulare ipotesi esplicative utilizzando modelli, analogie e leggi; formalizzare un problema di fisica e applicare gli strumenti matematici e disciplinari rilevanti per la sua risoluzione; fare esperienza e rendere ragione del significato dei vari aspetti del metodo sperimentale, dove l esperimento è inteso come interrogazione ragionata dei fenomeni naturali, scelta delle variabili significative, raccolta e analisi critica dei dati e dell'affidabilità di un processo di misura, costruzione e/o validazione di modelli; comprendere e valutare le scelte scientifiche e tecnologiche che interessano la società in cui vive. La libertà, la competenza e la sensibilità dell insegnante che valuterà di volta in volta il percorso didattico più adeguato alla singola classe svolgeranno un ruolo fondamentale nel trovare un raccordo con altri insegnamenti (in particolare con quelli di matematica, scienze, storia e filosofia) e nel promuovere collaborazioni tra la sua Istituzione scolastica e Università, enti di ricerca, musei della scienza e mondo del lavoro, soprattutto a vantaggio degli studenti degli ultimi due anni. Obiettivi specifici di apprendimento Lo studente completerà lo studio dell elettromagnetismo con l induzione magnetica e le sue applicazioni, per giungere, privilegiando gli aspetti concettuali, alla sintesi costituita dalle equazioni di Maxwell. Lo studente affronterà anche lo studio delle onde elettromagnetiche, della loro produzione e propagazione, dei loro effetti e delle loro applicazioni nelle varie bande di frequenza. Il percorso didattico comprenderà le conoscenze sviluppate nel secolo relative al microcosmo e al macrocosmo, accostando le problematiche che storicamente hanno portato ai nuovi concetti di spazio e tempo, massa ed energia. L insegnante dovrà prestare attenzione a utilizzare un formalismo matematico accessibile agli studenti, ponendo sempre in evidenza i concetti fondanti. Lo studio della teoria della relatività ristretta di Einstein porterà lo studente a confrontarsi con la simultaneità degli eventi, la dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze; l aver affrontato l equivalenza massa-energia gli permetterà di sviluppare un interpretazione energetica dei fenomeni nucleari (radioattività, fissione, fusione). L affermarsi del modello del quanto di luce potrà essere introdotto attraverso lo studio

2 della radiazione termica e dell ipotesi di Planck (affrontati anche solo in modo qualitativo), e sarà sviluppato da un lato con lo studio dell effetto fotoelettrico e della sua interpretazione da parte di Einstein, e dall altro lato con la discussione delle teorie e dei risultati sperimentali che evidenziano la presenza di livelli energetici discreti nell atomo. L evidenza sperimentale della natura ondulatoria della materia, postulata da De Broglie, ed il principio di indeterminazione potrebbero concludere il percorso in modo significativo. La dimensione sperimentale potrà essere ulteriormente approfondita con attività da svolgersi non solo nel laboratorio didattico della scuola, ma anche presso laboratori di Università ed enti di ricerca, aderendo anche a progetti di orientamento. In quest ambito, lo studente potrà approfondire tematiche di suo interesse, accostandosi alle scoperte più recenti della fisica (per esempio nel campo dell astrofisica e della cosmologia, o nel campo della fisica delle particelle) o approfondendo i rapporti tra scienza e tecnologia (per esempio la tematica dell energia nucleare, per acquisire i termini scientifici utili ad accostare criticamente il dibattito attuale, o dei semiconduttori, per comprendere le tecnologie più attuali anche in relazione a ricadute sul problema delle risorse energetiche, o delle micro- e nano-tecnologie per lo sviluppo di nuovi materiali). Contenuti specifici 1) Revisione/conclusione su elettromagnetismo Fenomeni di elettrostatica. Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss; Potenziale elettrico. Corrente (in particolare corrente nei metalli). Fenomeni magnetici. Proprietà del campo magnetico. Forza di Lorentz, moto di cariche in campi elettrici e magnetici. 2) L'induzione elettromagnetica Correnti indotte, legge di Faraday-Neumann-Lenz; energia di un campo magnetico. 3) Le equazioni di Maxwell La sintesi di Maxwell; le onde elettromagnetiche; densità di energia di un'onda elettromagnetica; spettro delle onde elettromagnetiche. 4) La relatività ristretta. I postulati della relatività ristretta; Tempo assoluto e simultaneità degli eventi; dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze. Trasformazioni di Lorentz. Addizione relativistica delle velocità. Energia e impulso relativistici; energia di riposo ed equivalenza massa-energia. Effetto Doppler per la luce. 5) La vecchia teoria dei quanti e la nascita della meccanica quantistica. I problemi irrisolti della fisica classica: cenni al problema del corpo nero e al modello di Planck; effetto fotoelettrico. Spettri atomici e modello di Bohr. Effetto Compton. Diffrazione degli elettroni. Dualismo onda particella. Cenni al principio di indeterminazione di Heisenberg.

3 6) I nuclei atomici Descrizione del nucleo; decadimenti radioattivi; difetto di massa ed energia di legame. Cenni alla fissione e alla fusione nucleare. 7) Possibili approfondimenti: Conduzione nei solidi cristalli, semiconduttori. Astrofisica: spettri stellari, evoluzione stellare. La radiazione cosmica di fondo. Fisica delle alte energie. Rivelatori di particelle, acceleratori. Tabella di sintesi Modulo Contenuti (*) Obiettivi specifici di apprendimento Elettromagnetismo Eventuale completamento del programma del quarto anno. Induzione elettromagnetica La corrente indotta: aspetti sperimentali. La legge di Faraday-Neumann- Lenz. Correnti indotte e trasferimenti di energia. Correnti parassite. Induttanza di un solenoide. Autoinduzione e induzione mutua. Circuiti RL serie. Energia immagazzinata in un campo magnetico. L'alternatore. Correnti alternate. Circuito LC. Circuito RLC. Potenza nei circuiti a corrente alternata. Il trasformatore. V. programmazione quarto anno. Saper spiegare come avviene la produzione della corrente indotta, descrivendo esperimenti che mostrino il fenomeno dell'induzione. Saper esporre e discutere la legge di Faraday-Neumann- Lenz. Saper ricavare il verso della corrente indotta in alcune semplici situazioni, come applicazione della legge di Lenz. Saper calcolare il flusso di un campo magnetico in alcuni semplici casi. Saper calcolare la variazione del flusso del campo magnetico. Saper descrivere i trasferimenti di energia in alcuni casi semplici (es. spira introdotta in un campo magnetico). Saper calcolare l'induttanza di un solenoide. Saper descrivere i fenomeni di autoinduzione e induzione mutua. Saper scrivere l'equazione caratteristica di un circuito RL serie e saperne descrivere qualitativamente la soluzione. Saper ricavare l'espressione dell'energia immagazzinata in un campo magnetico. Le equazioni di Il campo magnetico indotto. Saper illustrare le equazioni di

4 Maxwell La teoria della relatività ristretta La vecchia teoria dei quanti e la nascita della meccanica quantistica I nuclei atomici Il termine mancante: la corrente di spostamento. La sintesi di Maxwell. Produzione e propagazione di onde elettromagnetiche. Densità di energia di un'onda elettromagnetica. Spettro della radiazione elettromagnetica: caratteristiche generali. Dalla relatività galileiana alla relatività ristretta. I postulati della relatività ristretta. Tempo assoluto e simultaneità degli eventi. Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze. Evidenze sperimentali. Trasformazioni di Lorentz. Invarianza dell'intervallo spazio-temporale. Addizione relativistica delle velocità. Limite non relativistico. Energia e impulso relativistici. Energia di riposo ed equivalenza massa-energia. Effetto Doppler per la luce. Spettro del corpo nero e ipotesi di Planck. Effetto fotoelettrico e spiegazione di Einstein. Effetto Compton. Modello atomico di Thomson. Esperimento di Rutherford. Atomo di Bohr e interpretazione degli spettri atomici. Esperimento di Franck e Hertz. Diffrazione degli elettroni. Dualità onda-particella. Principio di indeterminazione. La funzione d'onda. Equazione d'onda di Schrodinger. Il principio di sovrapposizione. Caratteristiche dei nuclei atomici. Maxwell nel vuoto espresse in termini di flusso e di circuitazione. Saper argomentare sul problema della corrente di spostamento. Saper descrivere le caratteristiche del campo elettrico e la relazione reciproca. Saper spiegare come vengono prodotte, si propagano, quali effetti hanno ed alcune applicazioni delle onde elettromagnetiche nelle varie bande di frequenza. Saper illustrare lo spettro di corpo nero e interpretarne la curva di emissione in base al modello di Planck. Saper descrivere l'effetto fotoelettrico ed interpretarne le caratteristiche.

5 Approfondimento (*) in nero i contenuti minimi Forze nucleari ed energia di legame. Difetto di massa. La radioattività e la legge del decadimento radioattivo. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti. Fissione nucleare. Fusione nucleare. A discrezione dell'insegnante Esperienze di laboratorio Saranno parte integrante dei contenuti proposti alcune esperienze di laboratorio, a scelta del docente, condotte individualmente o in gruppo. La difficoltà di disporre nel laboratorio scolastico di apparati e/o strumentazione adeguata allo svolgimento di esperienze significative potrà essere superata proponendo agli studenti attività da realizzare utilizzando simulazioni on line. Indicazioni metodologiche generali Sul piano metodologico ciascun docente adotterà le scelte più opportune a garantire l'effettivo coinvolgimento della classe, e modulerà gli interventi didattici affinché tutti gli studenti possano raggiungere gli obiettivi minimi, e nel contempo agli studenti più interessati vengano forniti adeguati strumenti di potenziamento. In generale, l'azione didattica terrà conto degli elementi che concorrono allo sviluppo delle competenze disciplinari nel triennio del liceo scientifico: attività sperimentale, in laboratorio o simulata, che preveda un ruolo attivo degli studenti sia nella fase di conduzione delle esperienze che nella necessaria fase di rielaborazione; riflessione sull'impianto teorico e sulla sintesi formale in cui si collocano i risultati sperimentali; applicazione dei contenuti proposti attraverso esercizi e problemi che stimolino la rielaborazione delle conoscenze e l'appropriazione delle tecniche e del linguaggio specifici della disciplina. Ove possibile, non si trascurerà di contestualizzare i contenuti proposti inserendoli nel quadro storico di riferimento, né di curare i collegamenti con le altre discipline. Scansione del programma La scansione del programma prevede la tempistica di massima riportata nella tabella seguente: Elettomagnetismo Induzione elettromag. Equazioni Maxwell Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Relatività Mecc. Quant. Fis. nucleo Approfondimenti Prova comune

6 La prova comune, prevista nel mese di aprile, consisterà in una simulazione di seconda o terza prova secondo le disposizioni ministeriali sull'esame di Stato al termine dell'anno scolastico in corso, e verterà sui seguenti argomenti: Induzione elettromagnetica Relatività ristretta Meccanica Quantistica Metodologie e strumenti di lavoro Ciascun docente adotterà le metodologie e gli strumenti che riterrà più opportuni per il raggiungimento degli obiettivi programmati. Strategie di recupero Ciascun docente adotterà le strategie di recupero che ritiene più efficaci tra quelle eventualmente disponibili nel POF (ricevimento studenti, didattica peer to peer, pausa didattica, corso di recupero in orario extrascolastico) e quelle inserite nella programmazione individuale (didattica peer to peer, recupero in itinere, recupero in modalità blended). Verifiche Le verifiche, scritte (almeno 2 al trimestre e almeno 3 al pentamestre) ed orali (almeno 1 al trimestre e almeno 2 al pentamestre), saranno articolate in riferimento agli obiettivi generali e agli obiettivi specifici per ogni singolo argomento o unità didattica, privilegiando, almeno nella seconda metà dell'anno scolastico, la preparazione alle prove, scritta e orale, dell'esame di Stato. Eventuali lavori di gruppo (di sintesi, di approfondimento), relazioni di laboratorio (di gruppo o individuali) sulle esperienze realizzate, o altro tipo di elaborati, anche multimediali, potranno concorrere alla valutazione secondo criteri stabiliti da ciascun docente e condivisi con gli studenti. I criteri di valutazione saranno quelli adottati nella Scheda di valutazione delle prove scritte e orali di Matematica e Fisica.