PROGRAMMAZIONE DIDATTICA ANNUALE ANNO SCOLASTICO 2014/2015

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1 PROGRAMMAZIONE DIDATTICA ANNUALE ANNO SCOLASTICO 2014/2015 DOCENTE PROF. GIAMPIERO MACARI MATERIA DI INSEGNAMENTO: FISICA CLASSE 5B Finalità formative ed obiettivi didattici disciplinari Lo studio della Fisica, così come lo studio delle altre discipline, concorre alla formazione culturale ed intellettiva dello studente, grazie ad un percorso personale di crescita, finalizzato all acquisizione di competenze specifiche, che faciliteranno il suo inserimento nel tessuto sociale e nelle future realtà scolastiche e lavorative di cui sarà membro. In quest ottica, attraverso l insegnamento della Fisica ci si propone di: far comprendere l importanza del metodo scientifico e la necessità di attenersi ai dati oggettivi, nell approccio alla disciplina; far comprendere l importanza dell evoluzione scientifica per lo sviluppo della società, e l importanza della ricerca per continuare lungo questo cammino; far comprendere le potenzialità, ma anche i limiti, delle conoscenze scientifiche; far sì che l allievo sviluppi un atteggiamento critico nei confronti della realtà fenomenica e soprattutto sociale; comunicare il piacere della ricerca della verità, ed il gusto della scoperta; Saper cogliere ed apprezzare l'utilità del lavoro di gruppo come momento di scambio di idee; far comprendere la correlazione tra tutte le discipline di tipo scientifico, e l importanza dei contributi di ciascuna di esse ai fini di una crescita che non sia solo tecnologica ma anche e soprattutto etica; far comprendere l importanza di dover collocare storicamente gli studi di fisica ed i fisici stessi, filtrando le loro teorie e le loro credenze attraverso il paradigma in cui si muovevano. Nello specifico della disciplina, lo studente intraprenderà un percorso finalizzato al raggiungimento di competenze quali: acquisizione di un corpo organico di conoscenze e metodi finalizzati ad una adeguata interpretazione della natura; acquisizione di un linguaggio specifico corretto e sintetico; capacità di astrazione e di generalizzazione dei principi fisici esaminati; capacità di applicare le leggi fisiche studiate a problemi ed esercizi; utilizzo corretto dei fondamentali strumenti matematici sia di calcolo che di rappresentazione delle teorie fisiche analizzate; esecuzione corretta di semplici misure con chiara consapevolezza delle operazioni e degli strumenti utilizzati raccogliendo, ordinando e rappresentando i dati ricavati e sapendo anche mettere in rilievo l incertezza di tali misure e la precisione degli strumenti utilizzati; capacità di esporre dati relativi all attività sperimentale e le relazioni tra le grandezze fisiche esaminate in teoria attraverso grafici e tabelle, così come capacità di leggere ed interpretare correttamente i dati espressi attraverso di essi.

2 Obiettivi minimi. Saperi essenziali Al termine dell anno scolastico, lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito, se non le competenze, almeno le conoscenze e le abilità necessarie per poter continuare il percorso di studi; in particolare dovrà dimostrare di: conoscere le principali unità di misura delle grandezze fisiche studiate e le equivalenze tra di esse; conoscere le grandezze fisiche campo elettrico, potenziale elettrico, capacità elettrica, intensità di corrente, resistenza elettrica e le relazioni tra di esse; sapere cos è e come è fatto un condensatore e come se ne calcola la capacità; conoscere le leggi di Ohm, il concetto di resistenza elettrica e la sua importanza nei circuiti elettrici reali; sapere cos'è un campo magnetico, come si misura e come si crea, in relazione alle correnti elettriche; saper spiegare il significato delle equazioni di Maxwell in termini di relazione tra campi elettrici e magnetici; conoscere i postulati della relatività ristretta di Einstein e le principali conseguenze sulle misure di spazio e tempo da parte di osservatori in moto; saper spiegare il concetto di quanto e conoscere i principali risultati prodotti dalla meccanica quantistica, insieme con gli scienziati che hanno contribuito alla sua creazione e sviluppo. Contenuti. Programma preventivo 1. IL POTENZIALE ELETTRICO E I CONDENSATORI Il lavoro di un campo elettrico (sia uniforme che generato da una carica puntiforme); Campo conservativo ed energia potenziale elettrica (sia in un campo uniforme che generato da una carica puntiforme); Conservazione dell energia meccanica in un campo elettrico; Il potenziale elettrico e la differenza di potenziale; La circuitazione del campo elettrico; Superfici equipotenziali e potenziale elettrico dei conduttori; Il condensatori e la capacità; Condensatori piani e effetto dei dielettrici sulla loro capacità; Sistemi di condensatori in serie e in parallelo; Energia di un condensatore. Saper risolvere problemi relativi a lavoro, potenziale, energia potenziale e conservazione dell energia meccanica, in un campo elettrico; Saper lavorare con problemi relativi a differenza di potenziale, capacità elettrica ed energia di un condensatore; Saper calcolare la capacità equivalente di sistemi di condensatori in serie, in parallelo e misti. Saper padroneggiare le unità di misura relative a potenziale e capacità, e saperne stimare l ordine di grandezza negli strumenti elettrici che quotidianamente si utilizzano; Comprendere il concetto di potenziale elettrico, soprattutto in relazione alle conseguenze che comporta una differenza di potenziale tra due punti; Comprendere il funzionamento dei condensatori, e la loro l utilità negli apparecchi elettrici ed elettronici di uso quotidiano. 2. LA CORRENTE ELETTRICA L intensità di corrente e le sue unità di misura; La forza elettromotrice; La resistenza elettrica e le leggi di Ohm; La velocità di deriva e il suo legame con la corrente elettrica; Resistenze in serie e in parallelo; I circuiti elettrici: teorema della maglia, dei nodi (Kirchoff); circuiti RC; Potenza elettrica ed effetto Joule. Saper lavorare con le grandezze studiate e con le loro unità di misura; Saper trovare resistenze equivalenti in sistemi di resistenze collegate in serie e/o in parallelo; Saper risolvere circuiti elettrici. Saper padroneggiare le unità di misura relative a intensità di corrente, resistenza, f.e.m. e saperne stimare l ordine di grandezza negli strumenti elettrici di uso quotidiano;

3 Saper utilizzare un tester per misurare intensità di corrente, differenze di potenziale e resistenze. Comprendere il legame tra il concetto macroscopico di corrente e il concetto microscopico di velocità di deriva; Conoscere il significato delle leggi di Ohm in relazione al problema del trasporto dell energia elettrica e all effetto Joule; Comprendere, in linea generale, il principio di funzionamento di un semplice circuito elettrico. 3. IL CAMPO MAGNETICO Introduzione al magnetismo, il campo magnetico terrestre e le linee di campo; I campi magnetici generati dalle correnti e la scelta dell'ampère come unità di misura fondamentale della corrente elettrica; Il vettore induzione magnetica; Il campo magnetico generato da particolari distribuzioni di correnti: filo rettilineo, spira circolare, solenoide; Il teorema di Gauss per il magnetismo e il teorema della circuitazione di Ampère; La forza di Lorentz e l'effetto Hall; Il moto di una particella carica in un campo magnetico uniforme e lo spettrografo di massa; L'azione di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente e il motore elettrico; Le proprietà magnetiche della materia: materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici; il ciclo di isteresi. Saper definire l'ampère e riconoscerlo come grandezza fondamentale; saper lavorare con le unità di misura studiate, riconducendole alle grandezze fondamentali del SI; Saper risolvere problemi relativi ai campi magnetici generati da correnti elettriche; Saper risolvere problemi di dinamica di cariche elettriche in moto in un campo magnetico uniforme; Saper lavorare con problemi relativi a spire percorse da corrente in un campo magnetico. Riconoscere la mutua relazione tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici; Comprendere il significato dei teoremi di Gauss e Ampère in quanto equazioni fondamentali dell'elettromagnetismo; Conoscere la forza di Lorentz e il modo in cui agisce; Comprendere il funzionamento di un motore elettrico in relazione ai principi che ne sono alla base. 4. L'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Le correnti indotte e il flusso concatenato; La legge di Faraday - Neumann e la legge di Lenz; La mutua induzione e autoinduzione; I circuiti RL e l'energia del campo magnetico; I circuiti elettrici a corrente alternata; circuiti induttivi e capacitivi; Il trasformatore. Saper risolvere problemi relativi a correnti indotte e flusso concatenato, Saper analizzare circuiti elettrici RL e circuiti a corrente alternata; Saper spiegare il funzionamento di trasformatori ed alternatori. Riconoscere la mutua relazione tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici; Comprendere il concetto di corrente indotta e la sua utilità nei circuiti elettrici; Comprendere il concetto di corrente alternata e la differenza rispetto alla corrente continua, anche in relazione alle modalità di produzione ed ai vantaggi del suo utilizzo. 5. LE ONDE ELETTROMAGNETICHE E LE EQUAZIONI DI MAXWELL Le equazioni di Maxwell e la loro spiegazione in termini di campo elettromagnetico; Le onde elettromagnetiche e la loro propagazione; Lo spettro elettromagnetico. Saper enunciare le equazioni di Maxwell e saper spiegare tutti i fenomeni elettrici e magnetici precedentemente studiati in termini di esse, anche come casi particolari, come quelli che si presentano in elettrostatica; Saper risolvere problemi relativi alla propagazione delle onde elettromagnetiche; Comprendere il significato profondo delle equazioni di Maxwell; Comprendere il principio con cui si propaga un'onda elettromagnetica; Conoscere i principali tipi di onde elettromagnetiche e le loro proprietà in relazione alle loro applicazioni da parte dell'uomo.

4 6. LA TEORIA DELLA RELATIVITÀ L'etere ed il problema della propagazione della luce: l'esperimento di Michelson - Morley; Le trasformazioni galileiane e i sistemi di riferimento inerziali; I due postulati di Einstein e i fondamenti della relatività ristretta; La composizione delle velocità; Lo spazio - tempo di Minkowsky; Il concetto di simultaneità e la dilatazione dei tempi; il paradosso dei gemelli; La contrazione delle lunghezze; Le trasformazioni di Lorentz; La massa relativistica e la conservazione della quantità di moto; La relazione tra massa ed energia; Elementi di relatività generale: il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale; la curvatura dello spazio - tempo. Saper enunciare i princîpi alla base della teoria della relatività; Saper lavorare con le trasformazioni di Lorentz per calcolare variazioni di lunghezze e tempi in problemi relativistici; Saper interpretare le linee di universo nel piano di Minkowsky; Saper eseguire equivalenze tra massa ed energia, e saper risolvere semplici problemi di meccanica relativistica che richiedono l'uso di tale equivalenza; Saper enunciare e spiegare il significato dell'esperimento dell'ascensore; Saper fornire un modello geometrico per la curvatura dello spazio - tempo; Saper enunciare importanti risultati previsti dalla teoria della relatività generale, quali lenti gravitazionali, onde gravitazionali e buchi neri. Riconoscere la meccanica classica come approssimazione e limite della meccanica relativistica; conoscere i princîpi alla base della teoria della relatività e le loro conseguenze nei fenomeni reali; Comprendere il significato dell'equivalenza tra massa ed energia; Comprendere il significato dell'equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale; Comprendere l'importanza dei modelli di geometrie non euclidee nello studio della relatività generale. 7. LA NASCITA DELLA FISICA QUANTISTICA L'esperimento di Thomson e la scoperta dell'elettrone; La radiazione di corpo nero e il modello a quanti di Planck; L'effetto fotoelettrico e la teoria corpuscolare della luce; L'effetto Compton; Elementi di spettroscopia; I modelli atomici di Thomson, Rutherford e Bohr. Saper risolvere semplici problemi di meccanica quantistica relativi alla relazione tra energia, frequenza e lunghezza d'onda di fotoni - elettroni. Essere in grado di descrivere l effetto fotoelettrico e di enunciare l equazione di Einstein che lo interpreta. Essere in grado di mostrare come il concetto di fotone spieghi tutti gli aspetti dell effetto fotoelettrico e della diffusione Compton di raggi X. Essere in grado di inquadrare il problema del corpo nero nel contesto storico, filosofico e scientifico in cui si è sviluppato; Comprendere il concetto di quanto come unità fondamentale discreta dell'energia, e come superamento delle contraddizioni a cui conducevano i modelli continui di materia ed energia. Saper descrivere i modelli atomici studiati, riportando gli esperimenti che hanno portato alla loro formulazione e riconoscendone i limiti; 8. MECCANICA QUANTISTICA Il dualismo onda - corpuscolo e l'equazione di De Broglie; La meccanica ondulatoria di Schrödinger; Il principio di indeterminazione di Heisenberg; I numeri quantici dell'atomo e il principio di esclusione di Pauli. Saper risolvere semplici problemi relativi all'equazione di De Broglie e al principio di indeterminazione di Heisenberg; saper stabilire la configurazione elettronica di un atomo in relazione ai numeri quantici;

5 Comprendere il significato del dualismo onda - particella; Comprendere il significato della funzione d'onda di Schrödinger e del principio di indeterminazione di Heisenberg anche in relazione alle conseguenze filosofiche ed epistemologiche; POSSIBILI ESPERIENZE PRATICHE L utilizzo del laboratorio sarà, a differenza di quanto avviene o dovrebbe avvenire nel biennio, saltuario, in quanto, in linea con le direttive ministeriali, nel secondo biennio il percorso didattico deve dar maggior rilievo all impianto teorico e alla sintesi formale, con l obiettivo di formulare e risolvere problemi più impegnativi, tratti anche dall esperienza quotidiana, sottolineando la natura quantitativa e predittiva delle leggi fisiche. Potrebbero comunque essere svolte esperienze relative a: Realizzazione di circuiti elettrici e misura delle grandezze elettriche mediante tester; Studio delle leggi di Ohm. Il campo magnetico e la visualizzazione delle linee di campo, anche quando il campo è generato da campi elettrici in fili, spire e solenoidi; induzione elettromagnetica; Il tubo a raggi catodici; La realizzazione di circuiti elettrici in corrente alternata; La realizzazione di generatori, motori elettrici, alternatori e trasformatori; sempre in accordo con le direttive ministeriali, secondo cui al quinto anno "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" potrebbe essere messo in atto un progetto di collaborazione con l'università di Bologna relativo ad un percorso di meccanica quantistica avente per nucleo "L'esperimento più bello della Fisica": vale a dire l'esperimento a doppia fenditura di Young condotto con elettroni, ritenuto impossibile da Feynmann e realizzato per la prima volta dal team di scienziati italiani Merli, Missiroli e Pozzi. SCANSIONE TEMPORALE DEI CONTENUTI Primo Quadrimestre Secondo quadrimestre Unità 1 Il potenziale elettrico e i condensatori Unità 2 La corrente elettrica Unità 3 Il campo magnetico Unità 4 L'induzione elettromagnetica Unità 5 Le onde elettromagnetiche e le equazioni di Maxwell Unità 6 La teoria della relatività Tempi sett sett ott ott nov nov dic dic gen gen feb feb mar mar apr apr mag mag giu Unità 7-8 Fisica quantistica Metodologia. Strategie educative, strumenti e tecniche di lavoro in relazione agli obiettivi programmati. L approccio alla materia sarà generalmente di tipo razionale e darà grande rilievo all impianto teorico e alla sintesi formale. L insegnante non trascurerà di prendere spunto dalla realtà quotidiana e dall esperienza per affrontare problemi ed esercizi, e per non dissociare lo studio dal mondo dei fenomeni: vero oggetto di tutti gli studi di fisica e della ricerca scientifica. In particolare, si darà molta importanza alle unità di misura e al loro ordine di grandezza, in relazione agli oggetti su cui si applicano.

6 L utilizzo del laboratorio sarà saltuario e sarà generalmente atto a verificare leggi precedentemente introdotte a lezione. L esperienza di laboratorio potrebbe essere accompagnata da una relazione in cui si richiederà rigore, capacità di sintesi e precisione di calcolo. L approccio sarà a volte di tipo multimediale, attraverso la visione di filmati (in particolare i filmati del PSSC e di Rai Educational) e attraverso l uso di simulazioni al computer, effettuate utilizzando la LIM della classe: strumento che permetterà anche di reperire informazioni nel web. Nel quadro del progetto CLIL, alcune parti di programma verranno svolte in lingua inglese. Nello specifico si è scelto di affrontare in inglese il capitolo relativo alle equazioni di Maxwell: scelta motivata anche dalla possibilità di affrontare tali lezioni per un arco esteso di tempo, in quanto tali equazioni compaiono una alla volta in diversi momenti del corso, permettendo di diluire i contenuti e permetterne una più facile assimilazione. Verranno comunque sempre svolti in inglese gli esercizi che il libro di testo presenta in tale lingua e ogni interrogazione prevedrà una parte da discutere in inglese. Anche nelle verifiche scritte verrà inserito un esercizio in inglese, ma si lascerà all'alunno la possibilità di discuterlo nella lingua che preferisce. In ogni caso gli aspetti linguistici non entreranno nella valutazione. Verifica e valutazione. Il raggiungimento progressivo degli obiettivi ed il loro grado di interiorizzazione ed assimilazione sarà verificato attraverso esercitazioni di varie tipologie, sia all interno, che a conclusione di ogni percorso didattico significativo. Le prove di verifica saranno sostanzialmente di due tipi: prove di verifica scritta e prove orali. Le prove di verifica scritta avverranno alla fine di ogni unità didattica o di più unità didattiche correlate, e verranno valutate in decimi sulla base di un punteggio assegnato ad ogni esercizio. La correzione delle stesse avverrà tramite griglie oggettive nelle quali verranno specificati sia i punti relativi a ciascun esercizio, sia i punti relativi agli errori commessi; i punteggi saranno quasi sempre espressi in centesimi e verranno poi tradotti in voti con il seguente criterio: punteggio voto decimale , , ½ 5, /6 5,75 La terza colonna rappresenta il valore numerico che verrà inserito nel registro elettronico, che richiede l inserimento dei voti sotto forma di numeri decimali compresi tra 0 e 10. Ovviamente tale schema si ripeterà identico per interpretare tutti gli altri punteggi. Qualche volta, se l insegnante dovesse ritenere il compito particolarmente difficile, il punteggio massimo non sarà 100 ma 103 o addirittura 105: in tal caso all alunno che supererà i 100 punti verrà simbolicamente assegnata la lode, che a livello giuridico non avrà alcuna rilevanza, ma che sarà fonte di grande soddisfazione per lo studente e per l insegnante. Le prove potranno essere sia a risposta aperta che a risposta chiusa, anche in prospettiva dei futuri test che gli alunni dovranno sostenere nel loro percorso scolastico e lavorativo (prove invalsi, prove di maturità, test di ammissione universitari, concorsi ). Si potranno svolgere anche prove che simuleranno esperienze di laboratorio, in cui si chiederà di elaborare dati e trarre conclusioni. In ogni caso il criterio generale con cui vengono assegnati i punti e gli errori agli esercizi è quello in cui al voto ottenuto mediante la griglia corrisponde lo stesso voto enunciato nella griglia presente nel POF dell Istituto sulla base di conoscenze, abilità e competenze generali che corrispondono a quel voto, e che devono essere trasposte al contesto in cui si è svolta la prova. Le prove orali saranno distribuite casualmente all interno del corso ed anche per esse vale il criterio generale secondo cui il voto è tarato su quello della scala presente nel POF. L interrogazione sarà analizzata attraverso i seguenti parametri di giudizio: Conoscenze teoriche; Comprensione dei contenuti; Capacità di risolvere esercizi di tipo standard; Abilità espressive: formalismo e linguaggio; Capacità di sintesi e di risoluzione di esercizi non standard. Nella valutazione finale del quadrimestre si terrà conto anche di: Risposte date alle domande dal posto; Partecipazione alla lezione con interventi opportuni; Correttezza e cura degli appunti; Impegno nello svolgere i compiti assegnati a casa. Percorso personale rispetto ai livelli di partenza. Quanto al numero minimo di valutazioni per quadrimestre, si rimanda alla programmazione di istituto. Il voto complessivo sarà in primo luogo il risultato della media aritmetica dei singoli voti verbalizzati, e verrà approssimato per difetto all intero. L approssimazione potrebbe avvenire per eccesso qualora siano positivi gli indicatori qui sopra riportati, e nel caso in cui la prima cifra decimale (per troncamento) non sia inferiore a 4. In ogni caso tale valutazione verrà fatta dall insegnante caso per caso e verrà opportunamente spiegata e motivata.

7 Attività di supporto ed integrazione. Iniziative di recupero. Verranno svolti corsi di recupero pomeridiano qualora se ne presentasse la necessità: ossia nel caso che un gruppo di studenti sufficientemente numeroso (almeno 5) presenti gravi lacune in merito ad uno o più argomenti affrontati; qualora il numero degli studenti che presentano gravi lacune fosse notevolmente superiore, verranno effettuate pause didattiche durante le ore curricolari, per riprendere quei concetti che evidentemente non sono stati spiegati con la dovuta attenzione o hanno presentato per gli alunni difficoltà di comprensione superiori a quelle previste. NOTA. Il piano di lavoro previsto può subire variazioni per poter meglio essere adattato alle esigenze della classe. L insegnante Giampiero Macari