Documento di classe - 5 G FISICA. Prof. Angelo Angeletti

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1 FISICA Prof. Angelo Angeletti 1

2 Premessa L insegnamento della nel triennio del Liceo Scientifico, nelle classi sperimentali del P.N.I., si innesta su un biennio dove vengono perseguiti essenzialmente i primi livelli tassonomici degli obiettivi cognitivi, essenzialmente con metodologia induttiva basata generalmente sulla scoperta guidata e relativamente a contenuti che si prestano per la loro intuitività e facilità di verifica sperimentale. L uso del laboratorio di fisica riveste un ruolo fondamentale nell'insegnamento della fisica per cui l'attività ne ha sempre tenuto conto; lo svolgimento degli argomenti ha generalmente avuto inizio con l osservazione di una serie di fenomeni e dall analisi degli stessi si è giunti alla deduzione delle leggi fisiche. In alcune situazioni il laboratorio è stato utilizzato per la verifica di leggi dedotte matematicamente da principi generali. In genere gli esperimenti sono stati svolti dalla cattedra coinvolgendo il più possibile gli studenti nella loro realizzazione. Per la modellizzazione della realtà fisica si è fatto uso della matematica che gli studenti andavano via via acquisendo. Nello svolgimento del programma si è cercato di toccare la totalità degli argomenti previsti dai programmi del PNI tenendo conto della necessità di fornire un quadro, il più possibile completo, delle conoscenze fisiche, fino alle concezioni più recenti. La quasi totalità degli studenti, relativamente ai temi trattati, ha raggiunto i seguenti obiettivi finali: Conoscenza 1. ha acquisito un insieme di nozioni sui concetti fondamentali della fisica: inerzia, campo, particella, onda, ecc.; 2. ha acquisito un insieme di modelli che interpretano i fenomeni fisici attraverso un processo di astrazione sempre più spinto; 3. ha acquisito elementi collegabili alle altre discipline che permettono di avere una visione più ampia della realtà. Competenza 1. sa applicare correttamente alcune tecniche fisico-matematiche (calcolo vettoriale, calcolo algebrico, calcolo differenziale, modelli geometrici); 2. sa formulare ipotesi interpretative dei fenomeni osservati e in alcune situazioni dedurre conseguenze e proporre verifiche; 3. sa fare approssimazioni compatibili con l'accuratezza richiesta e valutare i limiti di tali approssimazioni; 4. sa esaminare dati e ricavare informazioni significative da tabelle, grafici e altra documentazione; 5. sa utilizzare in modo corretto i termini specifici del linguaggio della disciplina; Capacità 1. sa inquadrare in un medesimo schema logico situazioni diverse, riconoscendo analogie e differenze, proprietà varianti ed invarianti; 2. sa distinguere la realtà fisica dai modelli costruiti per la sua interpretazione; 3. è in grado di scegliere tra diverse schematizzazioni esemplificative la più idonea alla soluzione di un problema reale; 4. è in grado si analizzare fenomeni individuando le variabili che li caratterizzano; 5. può comunicare in modo chiaro e sintetico le procedure seguite nelle proprie indagini, i risultati raggiunti e il loro significato. Il raggiungimento di tali obiettivi è stato attuato mediante gli obiettivi specifici immediati descritti nelle Unità Didattiche con una metodologia a spirale nel corso di tutto il quinquennio. Percorso e tempi Si veda il successivo sviluppo delle singole Unità Didattiche Metodi Metodo deduttivo e verifica sperimentale. Alcune leggi fisiche sono state dedotte per via matematica a partire da principi generali e successivamente verificate in laboratorio. Metodo induttivo. Alcune teorie sono state costruite a partire da leggi ricavate sperimentalmente. Strumenti di lavoro Attrezzature di laboratorio Libro di testo: J. S. Walker: FISICA Voll. 2 e 3 ZANICHELLI Appunti dell'insegnante su: Equazioni di Maxwell ed onde elettromagnetiche Relatività Meccanica Quantistica Il Modello Standard Astrofisica e Cosmologia 2

3 Il materiale didattico messo a disposizione degli studenti è reperibile alla pagina internet: Verifiche Sono stati utilizzati i seguenti tipi di verifiche: colloqui risoluzione scritta di problemi ed esercizi saggio breve Valutazione Per la valutazione si è fatto uso della griglia adottata dal collegio dei docenti ed illustrata nella parte generale del documento del Consiglio di Classe. Moduli e unità didattiche Moduli Elettromagnetismo Relatività Meccanica Quantistica atomica e nucleare Astrofisica e Cosmologia Unità didattiche UD 01 Il campo elettrico e la capacità UD 02 Corrente elettrica e circuiti in corrente continua UD 03 Magnetismo UD 04 Flusso del campo magnetico e legge di Faraday UD 05 - Equazioni di Maxwell ed onde elettromagnetiche UD 06 - Relatività ristretta UD 07 Cenni di relatività generale UD 08 - La crisi della fisica classica UD 09 I principi della meccanica quantistica UD 10 - Elementi di fisica atomica UD 11 - Elementi di fisica nucleare UD 12 - Elementi di fisica delle particelle UD 13 Astrofisica UD 14 Cosmologia 3

4 ELETTROMAGNETISMO UD01 IL CAMPO ELETTRICO E LA CAPACITÀ ELETTRICA La carica elettrica Descrivere la fenomenologia Isolanti e conduttori elementare dell elettrostatica Presentazione degli argomenti attraverso La legge di Coulomb Enunciare la legga di Coulomb Sistematizzazione teorica delle attività di labora- un attività in laboratorio di fisica. Il flusso del campo elettrico Il teorema di Gauss per il Definire il campo elettrico torio. campo elettrico Scrivere l espressione per il Risoluzione di problemi Moto di una carica in un campo elettrico di una carica Verifiche scritte + revisioni campo elettrico uniforme puntiforme Periodo: settembre - ottobre La capacità elettrica Descrivere il campo elettrico Laboratorio di Il condensatore piano uniforme Esperimenti qualitativi e quantitativi sui condensatori; condensatori in serie e in parallelo. Energia accumulata in un Definire il flusso del campo condensatore elettrico attraverso un superficie ed enunciare il teorema di Libro di testo Condensatori in serie Condensatori in parallelo Gauss Collegamenti di condensatori Dimostrare il teorema di in serie e in parallelo Gauss per il campo elettrico Condensatori con un dielettrico tra le armature nel caso di una carica puntiforme e di una superficie sferica Energia immagazzinata nel campo elettrico del condensatore Definire il lavoro del campo elettrico e il concetto di potenziale elettrico Definire la capacità elettrica Descrivere un condensatore piano e calcolarne la capacità Dimostrare la relazione che esprime l energia accumulata in un condensatore Dimostrare l espressione per la capacità equivalente di condensatori in serie e in parallelo Descrivere le funzioni di un dielettrico Risolvere problemi UD02 CORRENTE ELETTRICA E CIRCUITI IN CORRENTE CONTINUA La corrente elettrica Definire la corrente elettrica La resistenza elettrica Definire la resistenza elettrica Presentazione degli argomenti attraverso Prima e seconda legge di Enunciare le leggi di Ohm un attività in laboratorio di fisica. Ohm Calcolare l energia dissipata Sistematizzazione teorica delle attività di laboratorio. Energia dissipata da una resistenza da una resistenza elettrica elettrica (effetto Joule) Dimostrare le espressioni per Risoluzione di problemi Resistenze in serie e in parallelo. le resistenze in serie e in parallelo Verifiche scritte + revisioni Principi di Kirchhoff Enunciare i principi di Kirchhoff Periodo: ottobre - novembre Laboratorio di Esperimenti qualitativi e quantitativi sulle leggi Resistenza interna di un generatore Circuiti RC Applicare i principi di Kirchhoff alla risoluzione dei circuiti di Ohm e sulle resistenze in serie e in parallelo. elettrici Libro di testo Scrivere l espressione per la corrente in un circuito RC 4

5 Forza agente su una carica elettrica in un campo magnetico Definizione dell induzione magnetica B. Forza magnetica esercitata su un filo percorso da corrente. Spire e momento magnetico torcente (motore in corrente continua). Teorema di Ampère ed applicazioni (induzione del campo magnetico attorno ad un filo conduttore molto lungo; induzione del campo magnetico all interno di un solenoide). Forza agente tra conduttori paralleli percorsi da corrente: definizione dell ampere. UD03 MAGNETISMO Riconoscere fenomeni magnetici elementari. Descrivere alcuni campi magnetici anche attraverso la determinazione del valore del vettore di induzione magnetica B. Riconoscere le leggi che regolano i fenomeni magnetici. Dedurre le leggi che regolano i fenomeni magnetici. Riconoscere la natura elettrica dei fenomeni magnetici. Risolvere semplici problemi. Presentazione dell argomento attraverso l osservazione di opportuni fenomeni magnetici (in Laboratorio di ). Sistematizzazione delle attività di laboratorio e teoria sul campo magnetico (in classe). Risoluzione di problemi (verifiche orali) (in classe) Periodo: novembre dicembre Laboratorio di Esperimenti qualitativi sui fenomeni magnetici: campi generati da magneti di diverso tipo e da fili percorsi da corrente; fili percorsi da corrente in campi magnetici; azioni tra fili percorsi da corrente. Bilancia elettromagnetica e bilancia elettrodinamica Libro di testo. UD04 FLUSSO DEL CAMPO MAGNETICO E LEGGE DI FARADAY Forza elettromotrice indotta Riconoscere fenomeni di induzione magnetica. Presentazione dell argomento attraverso Flusso del campo magnetico. Legge di Faraday-Neumann dell induzione elettromagnetica. Riconoscere gli effetti dell induzione magnetica. l osservazione di opportuni fenomeni (in Laboratorio di ). Riconoscere le leggi Sistematizzazione delle attività di laboratorio e Legge di Lenz. dell induzione magnetica. teoria (in classe). F.e.m. indotta in una spira Descrivere anche con modelli Risoluzione di problemi (in classe) rotante in un campo magnetico: matematici il fenomeno + revisione f.e.m. alternata e genera- dell induzione magnetica. Attività di recupero e verifica (se necessaria) tore di corrente alternata. Autoinduzione. Descrivere un modello di generatore di corrente alternata Periodo: dicembre Laboratorio di Induttanza (spira ruotante in un campo Non è stata svolta attività di laboratorio. Trasformatore magnetico). Energia accumulata nel campo Ricavare l energia del campo Libro di testo magnetico di un induttore. magnetico. Descrivere il funzionamento di un trasformatore. Calcolare l'induttanza di un solenoide Risolvere semplici problemi. 5

6 UD05 - EQUAZIONI DI MAXWELL ED ONDE ELETTROMAGNETICHE Le equazioni di Maxwell Scrivere le equazioni di Maxwell Dalla definizione del paradosso di Ampere, si è Oscillazioni meccaniche ed elettromagnetiche Onde elettromagnetiche Produzione di un onda elettromagnetica mediante un dipolo oscillante Velocità di propagazione delle Illustrare il significato delle equazioni di Maxwell Illustrare le analogie fra un oscillatore meccanico e un o- scillatore elettromagnetico, anche dal punto di vista ma- arrivati alla corrente di spostamento e quindi sono state riassunte le equazioni di Maxwell, il campo elettromagnetico e le onde elettromagnetiche. Periodo: gennaio onde elettromagnetiche tematico Libro di testo Densità di energia del campo Definire le onde elettromagnetiche. elettromagnetico Lo spettro elettromagnetico Descrivere la produzione di un onda elettromagnetica mediante un dipolo oscillante Determinare la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche Determinare la densità di e- nergia del campo elettromagnetico Descrivere lo spettro elettromagnetico. 6

7 RELATIVITÀ UD06 - RELATIVITÀ RISTRETTA Trasformazioni di Galileo e Enunciare il principio di relatività galileiana Partendo dal fatto che il campo magnetico di- loro incompatibilità con le leggi dell elettromagne-tismo I postulati della relatività ristretta Le trasformazioni di Lorentz Riconoscerne i limiti nell applicazione all elettromagnetismo Enunciare i principi della relatività pende dal sistema di riferimento si è fatto notare come la relatività galileiana non è valida per le leggi dell elettroma-gnetismo. È stato quindi illustrato l espe-rimento di Michelson e Morley. ristretta Sono stati enunciati i principi della relatività ripende Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze Composizione relativistica delle Scrivere ed applicare le trasformazioni di Lorentz stretta enunciate, senza dimostrazione le trasformazioni di Lorentz, quindi ricavate alcune con- velocità. Enunciare le espressioni per la seguenze. Quantità di moto e massa relativistictrazione delle lunghezze e la Laboratorio di dilatazione dei tempi, la con- Periodo: febbraio Principio di conservazione della massa e energia. dedurle matematicamente. composizione delle velocità e Non sono state svolte attività di laboratorio Definire relativisticamente la Il libro di testo massa e l energia Enunciare il principio di conservazione della massa- energia in relatività ristretta. Definire la quantità di moto relativistica UD07 CENNI DI RELATIVITÀ GENEALE Principio di equivalenza Enunciare i principi di equivalenza e della relatività generale Partendo dall equivalenza tra sistema gravitazio- Principio di relatività generale Deflessione della luce in un campo gravitazionale Cenni di geometria non euclidea Precessione del perielio di Descrivere i fenomeni che sostengono la validità della teoria della relatività generale Confrontare criticamente le teorie della relatività galileiana, nale e sistema accelerato sono state enunciate alcune conseguenze e alcuni dei fatti a sostegno della teoria della relatività generale. Periodo: febbraio Laboratorio di di quella ristretta e di quel- Non sono state svolte attività di laboratorio Mercurio Cenno al red shift gravitazionale la generale Riconoscere alcune delle prin- Il libro di testo Esperienza di Shapiro cipali conseguenze della relatività I buchi neri generale Descrivere, anche matematicamente i buchi neri Verifica scritta 7

8 MACCANICA QUANTISTICA UD08 LA CRISI DELLA FISICA CLASSICA Il problema del corpo nero e Descrivere la situazione delle l ipotesi di Planck conoscenze fisiche alla fine Descrizione e risoluzione del problema del corpo L effetto fotoelettrico e l ipotesi di Einstein del 1800 Enunciare il problema corpo nero, dell effetto fotoelettrico e dell effetto Compton. Determinazione della costante nero e le varie ipotesi interpretative (simulazione terza prova) di Planck Massa e quantità di moto di della fisica classica Enunciare l ipotesi di Planck Periodo: marzo Laboratorio di un fotone sull interpreta-zione Non sono state effettuate attività di laboratorio L effetto Compton dell emissione del corpo nero Descrivere l effetto fotoelettrico Attrezzature di laboratorio ed illustrarne la spiega- Il libro di testo zione di Einstein Descrivere i metodi di determinazione della costante di Planck sia mediante l effetto fotoelettrico, sia mediante i LED Descrivere l effetto Compton (no dimostrazione) UD09 - I PRINCIPI DELLA MECCANICA QUANTISTICA Dualismo onda-corpuscolo Esporre il problema ondacorpuscolo Partendo dall'ipotesi di de Broglie si è analizzato Ipotesi di de Broglie e diffrazione degli elettroni Principio di indeterminazione e sue varie formulazioni Principio di complementarità Enunciare l ipotesi di de Broglie Descrivere il fenomeno della diffrazione degli elettroni. il problema del dualismo onda-corpuscolo introducendo i principi della meccanica quantistica. È stato quindi introdotto il concetto di funzione d onda. Funzione d onda Enunciare il principio di indeterminazione di Heisenberg e Periodo: marzo Equazione di Schrödinger valutarne le conseguenze fisiche Laboratorio di Diffrazione degli elettroni Enunciare il principio di complementarità Il libro di testo Esporre il concetto di funzione d onda Ricavare l equazione di Schrödinger e applicarla al caso dell elettrone confinato in una scatola 8

9 FISICA ATOMICA E NUCLEARE UD10 ELEMENTI DI FISICA ATOMICA Modello atomico di Thomson Descrivere i modelli atomici di Modello atomico di Ruterford Thomson, di Ruterford, di Vengono illustrati i modelli atomici di Thomson, Modello atomico di Bohr per l atomo di idrogeno Bohr Analizzare le capacità di tali di Ruterford e di Bohr mettendone in evidenza le difficoltà sperimentali. Modello quantistico per modelli di rappresentare la realtà È stato introdotto il concetto di numero quantico l atomo di idrogeno Numeri quantici e principio di fisica Enunciare il concetto di numero e, utilizzando il principio di esclusione di Pauli, è stata descritta la tavola periodica degli elementi quantico e descriverli Illustrazione del meccanismo di produzione dello esclusione di Pauli Enunciare il principio di esclusione spettro atomico di Pauli Verifica Descrivere le righe dello spettro dell atomo di idrogeno Periodo: marzo aprile Laboratorio di Dimostrare la quantizzazione Spettri atomici. dei livelli energetici nell atomo di Bohr Il libro di testo Descrivere il meccanismo per la produzione delle righe spettrali UD11 ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE I costituenti e la struttura del Descrivere il modello nucleare. Partendo dal problema della stabilità del nucleo nucleo atomico La radioattività Giustificare la necessità di sono stati introdotti i concetti di difetto di massa e Tempo di dimezzamento introduzione della forza nucleare forte. fenomeni di emissione radioattiva e la fusione nu- di energia di legame, quindi sono stati descritti i Difetto di massa ed energia di legame. Illustrare il problema del difetto di massa. Periodo: marzo aprile cleare (ciclo pp e un cenno sul ciclo CNO) Legge del decadimento radioattivo Definire l energia di legame Laboratorio di Fissione nucleare e fusione Descrivere i fenomeni di radioattività naturale. Non sono state svolte attività di laboratorio nucleare (ciclo pp e cenno sul ciclo CNO) Descrivere i decadimenti Libro di testo. α, β, γ. Illustrare la fissione nucleare. Illustrare la fusione nucleare (il ciclo pp e il ciclo CNO). UD12 ELEMENTI DI FISICA DELLE PARTICELLE Classificare le particelle elementari Descrivere le forze della natura in termini di scambi di bosoni vettori Descrivere il modello standard Le particelle elementari e loro classificazione La materia e i fermioni Le interazioni (gravitazionale, elettromagnetica, forte, debole) e i bosoni vettori Il modello standard e le teorie di unificazione. Lezione frontale in cui sono stati sviluppati i contenuti Periodo: aprile Laboratorio di Non sono state svolte attività di laboratorio Libro di testo 9

10 Classificazione delle stelle Equazioni della struttura stellare Evoluzione delle stelle Calcolo di alcuni parametri fisici del sole Struttura della Galassia ASTROFISICA E COSMOLOGIA UD13 ASTROFISICA Classificare le stelle Descrivere le equazioni della struttura stellare Descrivere le principali fasi dell evoluzione stellare Calcolare il valore di alcuni parametri fisici del sole. Descrivere la struttura della Galassia UD13 COSMOLOGIA Lo sviluppo dell unità didattica ha seguito la scansione dei contenuti Periodo: aprile maggio Laboratorio di Non sono state effettuate attività di laboratorio Visita all Osservatorio Astronomico Cenni sulla struttura dell Universo La legge di Hubble. Modelli di universo Il big bang e il modello standard Descrivere la struttura dell Universo Enunciare la legge di Hubble. Descrivere i principali modelli di universo Lo sviluppo dell'unità didattica ha seguito la scansione dei contenuti Periodo: maggio Laboratorio di di evoluzione Illustrare il modello standard Non sono state effettuate attività di laboratorio dell Universo del big bang e le fasi principali dell evoluzione Appunti dell'insegnante dell Universo Il docente prof. Angelo Angeletti 10