OSA - AIF

PROGRAMMA PER L'INSEGNAMENTO
DELLA FISICA NEI LICEI
GRUPPO DI LAVORO DELLA COMMISSIONE DIDATTICA CONGIUNTA
AIF–MIUR–SAIt–SIF
INDICE
INTRODUZIONE _____________________________________________________________________________ 2
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO DELLA FISICA NEI LICEI _______________________________ 4
Strumenti, Modelli e Procedure __________________________________________________________________ 4
Obiettivi per il 1° Biennio di tutti i Licei____________________________________________________________ 5
1) FENOMENI MECCANICI ___________________________________________________________________ 5
2) FENOMENI TERMICI _____________________________________________________________________ 7
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI_________________________________________________________ 7
4) FENOMENI LUMINOSI ____________________________________________________________________ 8
5) TERRA E UNIVERSO _____________________________________________________________________ 8
6) STRUTTURA DELLA MATERIA______________________________________________________________ 9
Integrazioni per il 1°Biennio dei Licei Scientifico e Tecnologico ________________________________________ 10
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI________________________________________________________ 10
Obiettivi per il 2° Biennio di tutti i Licei___________________________________________________________ 11
1) FENOMENI MECCANICI __________________________________________________________________ 11
2) FENOMENI TERMICI ____________________________________________________________________ 12
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI ___________________________________________________________ 12
4) FENOMENI LUMINOSI ___________________________________________________________________ 13
5) TERRA E UNIVERSO ____________________________________________________________________ 13
6) MATERIA, PARTICELLE E CAMPI __________________________________________________________ 14
Integrazioni per il 2° Biennio dei Licei Scientifico e Tecnologico _______________________________________ 15
1) FENOMENI MECCANICI __________________________________________________________________ 15
2) FENOMENI TERMICI ____________________________________________________________________ 15
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI ___________________________________________________________ 15
4) FENOMENI LUMINOSI ___________________________________________________________________ 16
Obiettivi per il 5° Anno dei Licei Scientifico e Tecnologico ____________________________________________ 17
Obiettivi per il 5° Anno del Liceo Classico _________________________________________________________ 19
Obiettivi per il 5° Anno dei Licei Linguistico, Economico, Musicale/Coreutico, Artistico, delle Scienze Umane ___ 20
COMMENTI SUGLI OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO DELLA FISICA NEI LICEI _____________ 21
STRUMENTI, MODELLI E PROCEDURE _________________________________________________________ 21
1) FENOMENI MECCANICI __________________________________________________________________ 21
2) FENOMENI TERMICI ____________________________________________________________________ 23
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI________________________________________________________ 24
4) FENOMENI LUMINOSI ___________________________________________________________________ 24
5) TERRA E UNIVERSO ____________________________________________________________________ 25
6) STRUTTURA DELLA MATERIA, PARTICELLE E CAMPI ___________________________________________ 25
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO PER IL 5° ANNO _________________________________________ 26
1
INTRODUZIONE
La definizione degli Obiettivi Specifici di Apprendimento (OSA) per la fisica intende fornire
un quadro di riferimento per lo sviluppo coerente di conoscenze e abilità che coniughino gli aspetti cognitivi con quelli più specificamente culturali della disciplina: da un lato la disciplina
come strumento di conoscenza scientifica della realtà, dall’altro l’analisi di come la fisica si colloca all'interno del pensiero scientifico e di come, interagendo e integrandosi con altre forme di
pensiero (matematico, filosofico, tecnologico, …) contribuisce all'evoluzione storica delle idee.
L’obiettivo per la scuola secondaria è quello di procedere, attraverso un processo già iniziato
nella scuola primaria e nella secondaria inferiore, al completamento della acquisizione di una
consapevolezza diretta e fenomenologica degli aspetti fisici del mondo, a una loro gestione efficace in termini di enti astratti: “grandezze fisiche astratte” basate su relazioni invarianti fra variabili osservate; “sistemi fisici astratti” basati sulla loro efficacia come modelli intercontestuali;
“metodi di formalizzazione” che offrono il supporto essenziale all’intero processo di concettualizzazione fisica.
L’obiettivo prioritario è quello di costruire una “scienza per il cittadino” evidenziando che la
conoscenza scientifica è un capire per “modelli” i quali permettono di descrivere, interpretare e
indirizzare l’esperienza quotidiana, di costruire e progressivamente approfondire
un’interpretazione strutturata dei fatti, e di progettare efficaci interventi mirati e strumenti tecnologici.
La scelta di porre al centro del processo di costruzione della conoscenza fisica la realtà fenomenologica, che fornisce sia la base di partenza sia il punto di riferimento a cui correlare i costrutti teorici, ha guidato la strutturazione degli OSA per la fisica nei Licei in quattro aree fenomenologiche (Fenomeni Meccanici, Fenomeni Termici, Fenomeni Elettromagnetici, Fenomeni
Luminosi) che individuano modi di guardare ai fenomeni, selezionare proprietà e relazionare variabili per saper descrivere e spiegare. A queste tabelle se ne aggiungono altre tre: la prima
(Strumenti, Modelli e Procedure) che descrive conoscenze e abilità legate alle procedure e agli
strumenti della indagine scientifica; la seconda (Terra e Universo) che descrive concetti e applicazioni della fisica nell’astronomia e nell’astrofisica; la terza (Struttura della Materia, Particelle
e Campi) che presenta il percorso di conoscenza della materia dalle sue proprietà macroscopiche
alla sua struttura microscopica.
La scelta di presentare ordinate per “fenomenologie” le Conoscenze e Abilità, che costituiscono gli OSA per la fisica, non vuole indicare una via sequenziale nello svolgere l’attività didattica; anzi, si ritiene che l’esperienza didattica dei docenti e la sensibilità nel cogliere le varie
opportunità, possono indicare più strade ugualmente efficaci per la progettazione di percorsi didattici.
La definizione degli OSA qui riportati si fonda su due presupposti:
A) La formazione in fisica è parte integrante dell’educazione scientifica del cittadino che
deve avere inizio nella scuola primaria, procedere nella scuola secondaria inferiore e vedere nei
licei il suo completamento concettuale e formale.
B) Conoscenze e abilità debbono includere scoperte e problemi della fisica contemporanea
affinché la formazione scolastica possa rendere i cittadini attori consapevoli delle scelte scientifiche e tecnologiche richieste alla società di oggi.
Per le ragioni suddette, gli OSA per la scuola secondaria di secondo grado rappresentano una
continuità rispetto a quelli previsti per la scuola secondaria di primo grado e la scuola primaria.
2
Essi devono essere intesi, perciò, come continuazione, diversificazione e progressione nella
formalizzazione matematica e nell’attenzione per le strutture specificamente disciplinari della
fisica.
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OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO
DELLA FISICA NEI LICEI
STRUMENTI, MODELLI E PROCEDURE
I contenuti di questa tabella indicano abilità di processo che devono accompagnare gli studenti
lungo tutto il percorso in fisica. In quanto tali non debbono essere concentrati in un unico periodo ma distribuiti lungo tutto l’arco del 1° e 2° biennio.
Conoscenze
Abilità
Esplorare, misurare, comunicare, interpretare
- Il metodo sperimentale: osservare, formulare
ipotesi, sperimentare, interpretare, formulare
leggi.
- La definizione operativa delle grandezze fisiche: grandezze scalari e vettoriali; grandezze
intensive ed estensive.
- Unità di misura e dimensionalità delle grandezze fisiche. Il sistema internazionale di misura
(SI).
- Leggi fenomenologiche e leggi teoriche.
- Formulazione di modelli descrittivi ed interpretativi.
- Procedure di utilizzazione di fogli elettronici e
altri strumenti informatici per la modellizzazione di fenomeni fisici.
- Potere predittivo e limiti di validità di un modello.
Esplorare, misurare, comunicare, interpretare
- Descrivere un fenomeno fisico individuandone
le variabili rilevanti.
- Predire relazioni tra variabili.
- Valutare le caratteristiche degli strumenti di
misura: portata, sensibilità, eventuale frequenza
di campionamento.
- Individuare le caratteristiche di trasduzione di
alcuni strumenti.
- Individuare la differenza tra metodi di misurazione diretti e indiretti.
- Applicare semplici algoritmi per determinare
l'incertezza di misure indirette.
- Valutare, in situazioni sperimentali diverse,
l'attendibilità dei valori misurati: intervallo
d'incertezza, precisione.
- Leggere e costruire, manualmente e con
l’ausilio di strumenti informatici, grafici cartesiani, istogrammi e tabelle a più entrate.
- Tracciare, manualmente e con l’ausilio di
strumenti informatici, linee di tendenza di dati
sperimentali linearizzati, determinando i valori
di coefficienti e intercette e interpretandone i
significati fisici.
- Usare modelli matematici per descrivere le relazioni tra le variabili coinvolte in un dato fenomeno.
- Utilizzare i rapporti incrementali e
l’integrazione numerica per elaborare semplici
modelli di fenomeni.
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OBIETTIVI PER IL 1° BIENNIO DI TUTTI I LICEI
1) FENOMENI MECCANICI
Conoscenze
Abilità
Interazione e forza
Interazione e forza
- Progettare ed eseguire esperimenti per misurare
- Forze come descrittori delle interazioni fra
le intensità delle forze agenti su corpi ed espricorpi (meccaniche, elettriche, magnetiche).
mere i risultati nelle corrette unità di misura.
- Terzo principio della dinamica.
- Sommare e scomporre forze.
- Massa e peso.
- Individuare in modo grafico e sperimentale il
- Attrito e resistenza del mezzo.
baricentro di corpi di forma semplice.
- Momento di una forza e di una coppia di forze.
- Misurare la forza d’attrito tra solidi in situazio- Equilibrio tra forze in situazioni statiche.
ni statiche e dinamiche.
- Primo e secondo principio della dinamica.
- Individuare e descrivere le interazioni tra corpi
- Impulso della forza e variazione della quantità
vincolati e vincoli.
di moto.
- Descrivere l’effetto prodotto dall’applicazione
- Sistemi isolati: conservazione della quantità di
di coppie di forze ed effettuare misurazioni per
moto.
determinare il momento risultante in situazioni
di equilibrio.
- Realizzare, misurare e discutere situazioni di
moto in cui la risultante delle forze è nulla o
Aspetti storici
diversa da zero.
- Evoluzione dei concetti di massa, di forza e di
- Rilevare moti di caduta di corpi diversi e fare
interazione.
ipotesi sulle cause di eventuali differenze riscontrate.
- Eseguire esperimenti sulla conservazione della
quantità di moto in sistemi isolati.
- Spiegare, con riferimento a esempi concreti, la
connessione tra conservazione della quantità di
moto e terzo principio della dinamica.
Spazio, tempo, moto
- Sistemi di riferimento spazio-temporali e descrizione dei moti.
- Spostamento, velocità e accelerazione come
vettori.
- Moto relativo e composizione delle velocità.
- Moti periodici e oscillatori.
Aspetti storici
- Galilei e la nascita del metodo sperimentale.
Spazio, tempo, moto
- Misurare distanze e intervalli di tempo con metodi diversi; esprimere le misure in unità di misura diverse.
- Rappresentare e descrivere le traiettorie di uno
stesso moto visto da riferimenti spaziali diversi.
- Distinguere tra velocità medie e istantanee.
- Rappresentare moti vari osservati nella vita
quotidiana in grafici (s, t) e (v, t) e utilizzarli
per risolvere problemi.
- Ricavare l’equivalenza tra rappresentazioni
grafiche e algebriche di moti uniformi e vari.
- Applicare le proprietà vettoriali di spostamento,
velocità e accelerazione per analizzare moti in
due e in tre dimensioni.
- Descrivere situazioni di moto relativo e comporre velocità in una e in due dimensioni.
5
-
-
Onde meccaniche
- Propagazione di perturbazioni nella materia:
vari tipi di onde.
- Frequenza, intensità e sovrapposizione di onde
armoniche.
- Principio di sovrapposizione e interferenza.
- Riflessione e rifrazione.
- Intensità del suono e sua misura. Timbro e altezza del suono.
Aspetti storici
- L’evoluzione storica della comprensione dei
fenomeni sonori.
Ricavare vettorialmente direzione e verso
dell’accelerazione per moti qualsiasi su traiettoria curva e applicare i risultati al caso del moto
circolare uniforme.
Misurare la frequenza di fenomeni periodici
con riferimento alla misurazione del tempo.
Misurare posizioni, velocità e accelerazioni di
un corpo e porle in relazione con le forze agenti.
Onde meccaniche
- Produrre onde impulsive in una e due dimensioni, descriverne qualitativamente i caratteri,
misurarne le velocità di propagazione.
- Produrre, osservare e descrivere fenomeni di
riflessione e di rifrazione di onde.
- Descrivere le proprietà delle onde armoniche in
relazione alla sorgente e al mezzo: frequenza,
ampiezza, velocità di propagazione, lunghezza
d’onda, fase.
- Misurare l'intensità del suono in funzione della
distanza dalla sorgente ed esprimerla usando la
scala dei decibel.
- Riconoscere forme d’onda risultanti dalla sovrapposizione di onde armoniche di uguale o
diversa frequenza.
- Caratterizzare un segnale attraverso il suo spettro di frequenze.
Energia e lavoro
Energia e lavoro
- Individuare e descrivere, con esempi tratti dalla
- Lavoro e trasferimento di energia.
vita quotidiana, situazioni in cui l’energia mec- Energia potenziale in configurazioni diverse.
canica si presenta come cinetica e come poten- Energia dei corpi in movimento.
ziale (elastica o gravitazionale) e diversi modi
- Conservazione e dissipazione dell’energia
di trasferire, trasformare e immagazzinare emeccanica.
nergia.
- Bilanci energetici. Rendimento dei trasferimen- - Calcolare, anche con l’aiuto di grafici (F, x), il
ti di energia.
lavoro di una forza, esprimerlo nelle corrette
- Potenza.
unità di misura e metterlo in relazione con i trasferimenti di energia avvenuti.
- Leggere, costruire e interpretare schemi grafici
che rappresentano flussi di energia tra sistemi
Aspetti storici
interagenti.
- Evoluzione storica del concetto di energia: il
- Servirsi della conservazione dell’energia mecmoto perpetuo e il principio di conservazione
canica per analizzare situazioni anche complesdell’energia.
se in sistemi con attriti trascurabili, tra cui il
moto di corpi che si muovono nello spazio interplanetario.
- Applicare il principio di conservazione
dell’energia alla soluzione di semplici problemi
anche in presenza di forze dissipative.
- Descrivere il funzionamento di macchine sem-
6
-
plici.
Misurare in casi semplici la potenza utile di
macchine e del corpo umano ed esprimere il risultato nelle corrette unità di misura.
2) FENOMENI TERMICI
Conoscenze
Abilità
Processi ed equilibri
- Equilibrio termico e temperatura.
- Differenze di temperatura e flusso di energia
termica: il calore.
- Capacità termica e calore specifico.
- Conducibilità termica, isolanti e conduttori.
- Stati della materia e cambiamenti di stato.
- Scala assoluta di temperatura ed equazione di
stato dei gas.
- Esperimento di Joule e primo principio della
termodinamica.
Processi ed equilibri
- Descrivere fenomeni in cui avviene un trasferimento di energia in presenza di una differenza
di temperatura.
- Misurare quantità di calore ed esprimere i risultati nelle corrette unità di misura.
- Rilevare temperature in diversi fenomeni (di
riscaldamento, raffreddamento, cambiamento di
stato) e analizzarne l’andamento in funzione
del tempo.
- Realizzare esperimenti per confrontare la conducibilità termica di diversi materiali.
- Misurare variazioni di pressione, volume e
temperatura nei gas e cercare le relazioni tra i
Aspetti storici
dati.
- Teoria del calorico e primi sviluppi della teoria - Misurare il calore specifico di diversi materiali.
termodinamica.
- Misurare il rapporto joule/caloria.
- Descrivere i flussi di energia occorrenti per
mantenere mediamente costante la temperatura
del pianeta Terra.
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
Conoscenze
Abilità
Forze elettriche e magnetiche
- Forze tra cariche elettriche. Legge di Coulomb.
- Capacità elettrica.
- Differenza di potenziale elettrico.
- Intensità di corrente.
- Isolanti e conduttori: solidi, liquidi e gassosi.
- Resistenza elettrica. Legge di Ohm.
- Potenza elettrica. Potenza dissipata. Effetto
Joule.
- Forze magnetiche (fra magneti, fra corrente elettrica e magnete, fra correnti elettriche).
Forze elettriche e magnetiche
- Eseguire esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione tra cariche elettriche.
- Risolvere problemi sulle forze reciproche agenti su due o più cariche elettriche puntiformi.
- Eseguire e interpretare esperimenti in cui si evidenziano fenomeni di induzione e di polarizzazione elettrostatica.
- Realizzare semplici circuiti elettrici con alimentatori, carichi ohmici, interruttori, deviatori, collegamenti in serie e parallelo.
- Misurare intensità di corrente, differenze di potenziale e resistenze elettriche, utilizzando le
corrette unità di misura e riconoscendo relazioni di conservazione e di proporzionalità.
Aspetti storici
7
-
Le origini della teoria dell’elettricità e del magnetismo.
-
-
Riconoscere sperimentalmente materiali isolanti e conduttori dell’elettricità.
Misurare variazioni di resistenza elettrica con
la temperatura.
Spiegare il funzionamento del condensatore.
Misurare i tempi di scarica di un condensatore
in un circuito RC ed elaborare un semplice modello descrittivo dei dati.
Eseguire esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione magnetica.
Realizzare una elettrocalamita.
Spiegare l’andamento del campo geomagnetico.
4) FENOMENI LUMINOSI
Conoscenze
Luce
- Sorgenti luminose e propagazione della luce.
- Ottica geometrica e formazione di immagini.
- Principio di Fermat del tempo minimo di propagazione.
- Dispersione della luce e spettro della luce visibile, infrarossa e ultravioletta.
- Illuminazione di un corpo: intensità luminosa
riflessa, diffusa, trasmessa e assorbita. I colori
dei corpi.
- Meccanismo della visione.
Aspetti storici
- Modelli interpretativi della fenomenologia di
propagazione della luce.
Abilità
Luce
- Realizzare esperienze di riflessione, rifrazione
e diffusione e descriverle utilizzando il modello dell’ottica geometrica.
- Spiegare la trasmissione di luce mediante fibre
ottiche.
- Misurare distanze focali e rapporti
d’ingrandimento lineari e angolari.
- Utilizzare microscopi, cannocchiali e telescopi
e descriverne il funzionamento.
- Misurare intensità luminose incidenti, riflesse
e trasmesse da corpi trasparenti in funzione del
loro spessore e della distanza dalla sorgente,
utilizzando le relative unità di misura.
- Evidenziare sperimentalmente alcune proprietà
dell’occhio umano.
- Misurare il riscaldamento prodotto dalla radiazione (visibile e infrarossa) emessa da una
lampadina.
5) TERRA E UNIVERSO
Conoscenze
Abilità
La Terra e il sistema solare
La Terra e il sistema solare
- Metodi di misurazione di grandi distanze. Unità - Spiegare le differenze tra misure del tempo
di misura astronomiche.
“naturali” e “convenzionali” e le necessità che
le hanno determinate.
- I moti della Terra: rotazione, precessione, rivo- Descrivere misure eseguibili con metodi di
luzione.
triangolazione, parallasse e con metodi radar,
- Modelli geocentrico ed eliocentrico del sistema
dandone esempi e argomentandone i campi di
solare.
applicabilità.
- Sistemi di riferimento astronomici.
8
Aspetti storici
- La misurazione del tempo e la suddivisione del
giorno e dell’anno nelle antiche società e oggi.
- Il passaggio dal sistema geocentrico (geostatico) al sistema eliocentrico.
-
Osservare in modo sistematico i moti apparenti
del Sole, della Luna, dei pianeti, delle stelle, utilizzando le coordinate geografiche e astronomiche.
Riconoscere e descrivere il moto degli astri;
spiegare i moti apparenti in termini di sistemi
di riferimento geocentrico ed eliocentrico.
Descrivere strumenti ottici che consentono di
studiare il cielo da Terra (telescopi rifrattori e
riflettori) e il loro ruolo nel miglioramento della
visione dell’Universo fisico e nel progresso
delle conoscenze scientifiche.
6) STRUTTURA DELLA MATERIA
Conoscenze
Dalle proprietà dei materiali alla struttura microscopica della materia
- Proprietà dei materiali in termini di
fenomenologie e grandezze fisiche
macroscopiche indicative della loro struttura
microscopica.
- Modello atomico-molecolare della materia dal
punto di vista fisico-chimico per solidi, liquidi
e gas.
- Cariche elettriche nella materia.
- L’elettrone e le sue proprietà.
- Modello di Rutherford: elettroni e nuclei
atomici.
Aspetti storici
- L’evoluzione della teoria atomico-molecolare:
dalla chimica alla fisica atomica.
Abilità
Dalle proprietà dei materiali alla struttura microscopica della materia
- Individuare grandezze fisiche (densità,
elasticità, plasticità, viscosità, calore specifico,
conducibilità termica o elettrica) indicative
della struttura microscopica della materia.
- Misurare, con opportuni metodi, la densità di
corpi solidi, liquidi e gassosi al fine di
osservarne la variazione nei passaggi di stato.
- Descrivere e argomentare gli indizi che
supportano l’ipotesi atomico-molecolare della
materia e le idee sulla struttura degli atomi.
- Individuare fenomeni elettrici o magnetici
come spie della esistenza di cariche negli
atomi.
- Descrivere gli esperimenti di Thomson e
Millikan in relazione alla scoperta
dell’elettrone e alla misura della carica
elementare.
- Discutere i modelli atomici di Thomson e
Rutherford alla luce dell’esperimento di Geiger
e Marsden.
- Riconoscere l’ordine di grandezza delle dimensioni delle molecole, degli atomi e dei nuclei.
9
INTEGRAZIONI PER IL 1° BIENNIO DEI LICEI SCIENTIFICO E
TECNOLOGICO
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
Conoscenze
Forze elettriche e magnetiche
- Nodi e maglie nei circuiti elettrici.
Abilità
Forze elettriche e magnetiche
- Riconoscere in circuiti semplici la conservazione della corrente (prima legge di Kirchhoff).
- Risolvere semplici problemi relativi al bilancio
energetico del circuito elettrico (seconda legge
di Kirchhoff).
- Lampade e rendimenti luminosi.
10
OBIETTIVI PER IL 2° BIENNIO DI TUTTI I LICEI
1) FENOMENI MECCANICI
Conoscenze
Abilità
Forza, moto e relatività
- Tipi di forze ed equazioni del moto.
- Campo gravitazionale come esempio di campo
conservativo.
- Sistemi di riferimento inerziali e relatività galileiana.
- Sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti.
- Limiti di applicabilità della relatività galileiana.
- Velocità della luce nel vuoto.
- Dilatazione del tempo, contrazione delle lunghezze, simultaneità.
- Quantità di moto ed energia relativistiche. La
relazione fra massa ed energia e le sue implicazioni.
Forza, moto e relatività
- Esplorare al calcolatore soluzioni di semplici
equazioni del moto ottenute con il metodo delle
differenze finite.
- Applicare le proprietà conservative del campo
gravitazionale alla risoluzione di problemi.
- 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 a interazioni.
- Spiegare perché i corpi in caduta libera sono in
condizione di assenza di peso e perché i satelliti
artificiali intorno alla Terra e i pianeti intorno
al Sole sono in caduta libera.
- Spiegare perché le conclusioni della relatività
ristretta su simultaneità, dilatazione dei tempi e
contrazione delle lunghezze sono conseguenza
dell’invarianza della velocità della luce nel
vuoto.
- Discutere l’effetto Doppler luminoso e confrontarlo 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.
Aspetti storici
- L’origine della teoria della relatività ristretta.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
- Oscillazioni forzate e risonanza.
- Aspetti dinamici ed energetici di sistemi di due
o più oscillatori accoppiati.
- Aspetti dinamici ed energetici della propagazione di onde in sistemi continui.
- Comportamenti discreti dei sistemi continui: gli
stati stazionari.
Aspetti storici
- L’importanza storica delle oscillazioni nella fisica.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
- Determinare sperimentalmente o attraverso un
modello, la frequenza propria di un sistema oscillante.
- Spiegare la relazione tra l’ampiezza di oscillazioni forzate e la frequenza della sollecitazione
applicata.
- Esplorare le proprietà cinematiche, dinamiche
ed energetiche di semplici sistemi di due oscillatori accoppiati.
- Esplorare, con l’aiuto di simulazioni al calcolatore, il comportamento di sistemi di più di due
oscillatori accoppiati.
- Analizzare la propagazione di onde impulsive
in sistemi diversi sia sperimentalmente sia attraverso l’uso di simulazioni al calcolatore.
11
-
-
Descrivere le caratteristiche cinematiche e dinamiche delle onde stazionarie.
Analizzare onde stazionarie di frequenze diverse sia sperimentalmente sia attraverso l’uso di
simulazioni al calcolatore.
Descrivere la propagazione delle onde sismiche
spiegando l’effetto della struttura interna della
Terra.
2) FENOMENI TERMICI
Conoscenze
Processi termodinamici
- Stati e trasformazioni termodinamiche.
- Descrizione microscopica dei gas.
- Equipartizione dell’energia.
- Secondo principio della termodinamica ed entropia.
- Cicli termodinamici e rendimento di una macchina termica.
Aspetti storici
- Sviluppo storico delle idee che hanno portato
alla formulazione delle leggi della termodinamica.
- Invenzione della macchina a vapore.
-
Abilità
Processi termodinamici
- Descrivere processi e trasformazioni termodinamiche.
- Illustrare il significato microscopico della pressione e della temperatura.
- Descrivere e interpretare processi termodinamici mettendo in evidenza la conservazione
dell’energia e la sua degradazione.
- Descrivere una macchina frigorifera e confrontarne il funzionamento con quello di altre macchine termiche.
- Descrivere cicli termodinamici naturali: scambi
di energia sulla Terra e della Terra con
l’ambiente extraterrestre, fonti di energia, “effetto serra”.
La gara verso le basse temperature.
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI
Conoscenze
Campi e onde elettromagnetiche
- Campo elettrico: definizione e proprietà.
- Campo magnetico: definizione e proprietà.
- Campi variabili nello spazio e nel tempo.
- Induzione e autoinduzione. Legge di FaradayNeumann.
- Onde elettromagnetiche.
- Raggi X e raggi gamma.
Aspetti storici
- Lo sviluppo della teoria classica
dell’elettromagnetismo.
- L’ipotesi dell’etere.
Abilità
Campi e onde elettromagnetiche
- Rappresentare graficamente i vettori di campo
elettrico generati da una o più sorgenti puntiformi.
- Evidenziare sperimentalmente le tracce delle
superfici equipotenziali associate al campo elettrico e verificare le loro relazioni direzionali
con le linee del campo.
- Descrivere somiglianze e differenze tra campi
elettrostatici e campi gravitazionali.
- Confrontare le caratteristiche di campi elettrici
e magnetici.
- Evidenziare sperimentalmente e rappresentare
graficamente i vettori di campo magnetico generati da correnti elettriche di semplice geometria.
12
-
-
Effettuare esperimenti che mettono in evidenza
fenomeni di induzione elettromagnetica.
Descrivere i modi di trasformazione di energia
elettrica in meccanica e viceversa e il funzionamento di dispositivi elettromagnetici.
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.
4) FENOMENI LUMINOSI
Conoscenze
Abilità
Onde luminose e spettri
- Fenomeni di diffrazione e interferenza.
- Fenomeni di polarizzazione lineare.
- Emissione e assorbimento della luce dal punto
di vista microscopico.
- Spettri continui e a righe.
- Effetto fotoelettrico e ipotesi del quanto di luce.
Onde luminose e spettri
- Osservare e spiegare la diffrazione della luce
attraverso fenditure semplici e multiple.
- Osservare e spiegare fenomeni d’interferenza
della luce prodotte da intercapedini e pellicole
sottili.
- Spiegare perché la diffrazione e l’interferenza
della luce dimostrano la sua natura ondulatoria.
- Misurare la frequenza di una luce monocromatica da fenomeni di diffrazione o di interferenza.
- Operare con lamine polarizzatrici e analizzatrici 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 di lunghezze d’onda.
- Individuare differenze e somiglianze negli spettri di emissione di diverse sorgenti.
Aspetti storici
- Evoluzione storica delle idee sulla natura della
luce.
- La misura della velocità della luce.
5) TERRA E UNIVERSO
Conoscenze
Abilità
La gravitazione universale e la dinamica del sistema solare
-
-
La gravitazione universale e la dinamica del sistema solare
Il moto dei pianeti e la gravitazione universale. - Applicare la legge di gravitazione universale e i
principi di conservazione dell’energia al moto
Aspetto predittivo ed esplicativo della meccadei pianeti.
nica newtoniana in relazione a fenomeni gravi- Confrontare gli spettri di elementi chimici con
tazionali complessi.
alcuni spettri stellari ed evidenziare le caratteriSpettroscopia nello studio delle caratteristiche
stiche comuni.
fisiche delle stelle.
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Aspetti storici
- La scoperta di Nettuno.
- Dall’astronomia all’astrofisica.
6) MATERIA, PARTICELLE E CAMPI
Conoscenze
Abilità
Struttura microscopica della materia: atomi,
nuclei e particelle
- Descrivere e interpretare alcuni esperimenti basilari: gli esperimenti sull’effetto fotoelettrico,
l’esperimento di Frank e Hertz, l’esperimento
di Compton.
- Riconoscere spettri atomici e interpretarlinell’ambito del modello atomico di Bohr.
- Valutare la lunghezza d’onda di un elettrone di
data velocità e la rilevanza degli effetti di interferenza in situazioni significative.
- Analizzare figure di diffrazione di fotoni ed elettroni e riconoscere il funzionamento del microscopio elettronico.
- 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 radioattivi e
illustrare il concetto di vita media.
Aspetti storici
- Descrivere e interpretare il grafico Z/A relati- Il periodo di transizione dalla fisica classica alvamente alla massa dei nuclei.
la fisica quantistica: nuove scoperte, limiti teo- Individuare fenomeni significativi in cui interrici e idee fondamentali alla base della formuvengono i diversi tipi di interazione fondamenlazione della meccanica quantistica.
tale e classificarne il rispettivo raggio di azione.
- Riconoscere la generalizzazione del concetto di
campo valido per qualsiasi tipo di interazione
fondamentale.
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, radioattività e struttura del nucleo: protoni e neutroni.
- Equivalenza massa-energia e energia di legame
dei nucleoni nei nuclei. L’interazione nucleare
forte.
- I diversi tipi di decadimento radioattivo.
L’interazione nucleare debole.
- Le quattro interazioni fondamentali: le interazioni elettromagnetica, forte e debole, in aggiunta all’interazione gravitazionale.
14
INTEGRAZIONI PER IL 2° BIENNIO DEI LICEI SCIENTIFICO E
TECNOLOGICO
1) FENOMENI MECCANICI
Conoscenze
Forza, moto e relatività
- Moto rotatorio, momento angolare e sua conservazione.
-
Energia nel moto rotatorio.
Abilità
Forza, moto e relatività
- Descrivere e modellizzare fenomeni quotidiani
riguardanti la conservazione del momento della
quantità di moto e dell’energia meccanica di rotazione.
2) FENOMENI TERMICI
Conoscenze
Processi termodinamici
- Teoria cinetica dei gas.
- Equipartizione dell’energia.
- Definizione dell’entropia in termini statistici.
Abilità
Processi termodinamici
- Confrontare e spiegare diagrammi di Maxwell
della distribuzione delle velocità molecolari in
funzione della temperatura.
- Correlare grandezze macroscopiche e microscopiche.
- 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.
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI
Conoscenze
Abilità
Campi e onde elettromagnetiche
- Contributo elementare al campo elettrico o magnetico da parte di cariche elettriche.
- Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss.
- Flusso del campo magnetico.
- Moto di particelle cariche in campi elettrici e
magnetici.
- Corrente alternata.
- Derivazione qualitativa delle equazioni di Maxwell e delle equazioni di propagazione delle
onde elettromagnetiche.
- Connessione tra elettromagnetismo, velocità
della luce e relatività.
Campi e onde elettromagnetiche
- Applicare il concetto di flusso dei campi elettrici e magnetici per la soluzione di semplici
problemi.
- Descrivere il moto di cariche elettriche in presenza di campi elettrici e magnetici e la sua applicazione in alcuni dispositivi.
- Analizzare il comportamento di semplici circuiti oscillanti.
- Risolvere problemi su semplici circuiti elettrici
in corrente alternata.
Risolvere problemi numerici riguardanti produzione, trasporto, e trasformazione di energia
mediante corrente elettrica alternata.
15
4) FENOMENI LUMINOSI
Conoscenze
Abilità
Onde luminose e spettri
Onde luminose e spettri
- Emissione e assorbimento della luce dal punto - Risolvere semplici problemi sulla quantizzadi vista microscopico.
zione dell’energia in un fascio di luce monocromatica.
- Spettro dell’atomo di idrogeno e quantizzazione dell’energia nella materia.
- Risolvere semplici problemi sull’interazione
quantizzata fra luce e materia.
16
OBIETTIVI PER IL 5° ANNO DEI LICEI SCIENTIFICO E TECNOLOGICO
Conoscenze
Abilità
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
- Descrivere fenomeni classici interpretabili in
- Il problema della misura nella fisica classica:
termini puramente deterministici, oppure medeterminismo, descrizione statistica, complessidiante calcoli statistici, oppure soggetti alle
tà e caos.
leggi del caos e della complessità.
- La misura in meccanica quantistica: principio
- Descrivere fenomeni quantistici che evdenziadi indeterminazione, probabilità quantistica e
no il ruolo del principio di indeterminazione in
causalità.
meccanica quantistica.
- Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico
sulla cultura filosofica e sull’evoluzione della
società, e viceversa.
Applicazioni attuali della fisica
- Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, televisione, telefonia mobile, GPS).
- Dispositivi laser e dispositivi a
stato solido.
- Produzione, trasmissione e ricezione di segnali in fibra ottica.
Applicazioni attuali della fisica
- Applicare le leggi dell’elettromagnetismo e della fisica quantistica alla descrizione dei principi
di funzionamento di dispositivi basati sulla trasmissione di radiazione elettromagnetica.
- Descrivere le basi di funzionamento di alcune
tecniche e apparecchiature sviluppate
nell’ambito della ricerca in fisica e applicate a
diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro) o
ambiente (inquinamento, traffico).
LE TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
LE TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
Struttura microscopica della materia
- Semiconduttori e superconduttori.
- Fissione e fusione nucleare.
- Acceleratori di particelle.
- Rivelatori di particelle.
- La struttura dei nucleoni e i costituenti elementari della materia: quark ed elettroni.
- Simmetria materia-antimateria.
- Il Modello Standard e lo sviluppo della fisica
subnucleare.
Struttura microscopica della materia
- Descrivere i meccanismi fondamentali alla base
dei semiconduttori e superconduttori.
- Descrivere i meccanismi fondamentali alla base
della fusione e fissione nucleare e calcolare
l’ordine di grandezza dell’energia sviluppata in
reazioni nucleari.
- Descrivere il principio di funzionamento di un
acceleratore di particelle.
- Individuare diversi tipi di rivelatori per diversi
tipi di particelle, evidenziandone i principi di
funzionamento.
- Spiegare il ruolo dei “raggi cosmici” e degli
acceleratori per lo studio, tramite fenomeni di
collisione ad energie via via crescenti, della
struttura nucleare e subnucleare della materia e
della produzione di nuove particelle (o antiparticelle).
- Riconoscere la differenza tra particelle elementari e non elementari, tra particelle di materia e
particelle mediatrici delle interazioni fondamentali.
Relatività
17
-
Trasformazioni di Galilei e di Lorentz.
Struttura dello spazio-tempo.
Principi di equivalenza e di relatività generale.
L’interazione luce-campo gravitazionale.
Origine ed evoluzione cosmiche
- Misura delle velocità e delle masse dei corpi
celesti.
- Origine ed evoluzione delle stelle.
- Produzione termonucleare dell’energia
all’interno delle stelle. Origine stellare degli elementi chimici.
- Il Big Bang e l’Universo in espansione.
Relatività
- 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).
Origine ed evoluzione cosmiche
- Descrivere i fatti sperimentali su cui si basano i
modelli sull’origine ed espansione
dell’Universo e individuare le ragioni che portano alla stima della scala dei tempi di espansione.
- Utilizzare il diagramma di Hertzsprung-Russell
per descrivere l’evoluzione stellare.
18
OBIETTIVI PER IL 5° ANNO DEL LICEO CLASSICO
Conoscenze
Abilità
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
- Il problema della misura nella fisica classica:
- Descrivere fenomeni classici interpretabili in
determinismo, descrizione statistica, complessitermini puramente deterministici, oppure metà e caos.
diante calcoli statistici, oppure soggetti alle
leggi del caos e della complessità.
- La misura in meccanica quantistica: principio
di indeterminazione, probabilità quantistica e
- Descrivere fenomeni quantistici che evidenziacausalità.
no il ruolo del principio di indeterminazione.
- Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico
sulla cultura filosofica e sull’evoluzione della
società, e viceversa.
Applicazioni attuali della fisica
- Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, televisione, telefonia mobile, GPS).
- Dispositivi laser e dispositivi a stato solido.
Applicazioni attuali della fisica
LE TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
LE TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
Struttura microscopica della materia
- Semiconduttori e superconduttori.
- Fissione e fusione nucleare.
- La struttura dei nucleoni e i costituenti elementari della materia: quark ed elettroni.
- Simmetria materia-antimateria.
- Il Modello Standard e lo sviluppo della fisica
subnucleare.
Struttura microscopica della materia
- Descrivere i meccanismi fondamentali alla base
dei semiconduttori e superconduttori.
- Descrivere i meccanismi fondamentali alla base
della fusione e fissione nucleare.
- Descrivere il principio di funzionamento di un
acceleratore di particelle.
- Riconoscere la differenza tra particelle elementari e non elementari, tra particelle di materia e
particelle mediatrici delle interazioni fondamentali.
Relatività
- Struttura dello spazio-tempo.
- Principi di equivalenza e di relatività generale.
- L’interazione luce-campo gravitazionale.
Relatività
- 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).
Origine ed evoluzione cosmiche
- Origine ed evoluzione delle stelle.
- Produzione termonucleare dell’energia
all’interno delle stelle. Origine stellare degli elementi chimici.
Origine ed evoluzione cosmiche
- Descrivere i fatti sperimentali su cui si basano i
modelli sull’origine ed espansione
dell’Universo e individuare le ragioni che portano alla stima della scala dei tempi di espansione.
-
Il Big Bang e l’Universo in espansione.
-
-
Descrivere le basi di funzionamento di alcune
tecniche e apparecchiature sviluppate
nell’ambito della ricerca in fisica e applicate a
diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro), ambiente (inquinamento, traffico).
Utilizzare il diagramma di Hertzsprung-Russell
per descrivere l’evoluzione stellare.
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OBIETTIVI PER IL 5° ANNO DEI LICEI LINGUISTICO, ECONOMICO,
MUSICALE/COREUTICO, ARTISTICO, DELLE SCIENZE UMANE
Conoscenze
Abilità
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
- Il problema della misura nella fisica classica:
- Descrivere fenomeni classici interpretabili in
determinismo, descrizione statistica, complessitermini puramente deterministici, oppure metà e caos.
diante calcoli statistici, oppure soggetti alle leggi
del caos e della complessità.
- La misura in meccanica quantistica: principio di
indeterminazione, probabilità quantistica e cau- - Descrivere fenomeni quantistici che evidenziano
salità.
il ruolo del principio di indeterminazione.
- Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico
sulla cultura filosofica e sull’evoluzione della
società, e viceversa.
Applicazioni attuali della fisica
- Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, televisione, telefonia mobile, GPS).
- Dispositivi laser e dispositivi a stato solido.
Applicazioni attuali della fisica
-
Descrivere le basi di funzionamento di alcune
tecniche e apparecchiature sviluppate
nell’ambito della ricerca in fisica e applicate a
diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro), ambiente (inquinamento, traffico).
20
COMMENTI SUGLI
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO
DELLA FISICA NEI LICEI
STRUMENTI, MODELLI E PROCEDURE
I contenuti di questa tabella indicano i passi caratteristici e le abilità di processo che devono
accompagnare gli studenti lungo tutto il percorso in fisica. In quanto tali non sono distinti tra
primo e secondo biennio. Essi individuano i modi di guardare ai fenomeni, selezionare proprietà
e relazionare variabili per saper descrivere la fenomenologia in modo qualitativo e quantitativo.
Vengono quindi individuate le modalità con cui si costruisce la teoria, integrando in processi
formali sintesi sempre più ampie di contesti fenomenologici, e viene quindi guidata
l’interpretazione dei fenomeni, selezionando e adattando modelli il cui potere predittivo mette a
confronto teorie e classi fenomenologiche.
Lo sviluppo di processi mentali a cui si mira nel primo biennio è prevalentemente rivolto
all’osservazione e alla descrizione, con scopo di:
- individuare le variabili rilevanti,
- misurarle per rivelarne variazioni significative e per metterle in relazione fra di loro,
- rappresentare e interpretare tali relazioni in forma matematica, anche mediante l’utilizzo di
grafici,
- analizzare le variazioni con tecniche di “differenze finite”.
Nel secondo biennio si mira, oltre al rafforzamento dei processi già avviati nel primo biennio, all’avvio di una modellizzazione più formale come base di costruzione della teoria fisica e
per la gestione di situazioni variamente complesse.
1) FENOMENI MECCANICI
L’interazione fra sistemi materiali nei fenomeni meccanici presenta concetti-chiave che devono essere resi presenti a tutti i livelli e richiamati in tutti i contesti (a livello almeno qualitativo fin dalle prime osservazioni fenomenologiche).
1° BIENNIO
Nello studio dei fenomeni meccanici vengono proposti nel primo biennio aspetti mirati a esaminare le caratteristiche dell’interazione tra corpi e a costruire i concetti di forza ed energia
oltre a quelli che ne stanno alla base. Il campo dei fenomeni meccanici è diviso in parti che raggruppano e classificano situazioni fenomenologiche idonee alla costruzione di concetti e nuclei
concettuali.
Interazione e forza
Siamo in una fase iniziale di gestione della fenomenologia, con la caratterizzazione degli
“attori” dell’interazione e delle “regole del gioco” secondo le quali avviene l’interazione.
-
Si caratterizzano e si descrivono:
l’interazione in termini del fare-subire forza/pressione in situazione statica fra sistemi diversi
(come “azione-reazione”)
le regole del fare-subire forza,
i diversi tipi di forza, in particolare la forza-peso (necessaria per introdurre un primo modo
21
-
di stabilire l’unità di misura della forza, concettualmente diversa dall’unità di misura della
massa),
il legame tra forza e moto,
le condizioni di equilibrio,
la conservazione della quantità di moto per interpretare il terzo principio della dinamica.
Spazio, tempo e moto
Nella fase iniziale di gestione della fenomenologia, l’osservazione e la descrizione dei possibili modi di muoversi e delle grandezze corrispondenti (spazio, tempo, velocità e accelerazione) permette di individuare:
- gli aspetti cinematici differenziali (velocità come distanza percorsa nell’intervallo di tempo,
accelerazione come cambiamento di velocità nell’intervallo di tempo),
- quelli integrali (distanza percorsa, velocità raggiunta alla fine dell’accelerazione),
- quelli vettoriali (direzione relativa a un certo riferimento).
Onde meccaniche
Il concetto di onda è un fecondo descrittore di fenomeni fisici che interessano una varietà di
aree e contesti, scientifici e tecnologici. Nel primo biennio si affronta lo studio cinematico della
propagazione ondosa che viene completato dall’applicazione delle conoscenze acquisite al caso
delle onde sonore, anche dal punto di vista dell’analisi del senso dell’udito.
Energia e lavoro
In questa fase si costruiscono altre variabili significative per interpretare le interazioni. In
particolare si caratterizzano e si descrivono gli aspetti energetici, esplicitando anche le relazioni
fra tale descrizione e quella in termini di forze.
-
Si caratterizzano e si descrivono:
le regole dell’immagazzinare-trasferire-trasformare energia in presenza di forze,
l’introduzione della nozione ausiliaria di “lavoro” per correlare quantitativamente forza ed
energia trasferita (aspetti integrali dell’interazione),
l’energia di configurazione (energia potenziale) in situazioni diverse,
l’energia associata al movimento come chiave dei trasferimenti di energia da un sistema a un
altro,
la lettura “secondo energia” dei trasferimenti: “dissipativo”, in presenza di attriti, “reversibile” attraverso movimento,
la definizione di sistema e la prima modellizzazione dell’energia interna su base meccanica.
2° BIENNIO
Forza, moto e relatività
Nel secondo biennio si completa l’apprendimento con aspetti a livello più alto di astrazione
e complessità, e con l’inquadramento nell’ambito generale del sistema di riferimento, che porta
ai concetti base della teoria della relatività. La relatività viene proposta a tutti i Licei nei suoi elementi fondamentali, sufficienti però per far capire la portata delle idee relativistiche riguardanti la revisione dei concetti di tempo e spazio e la relazione fra massa ed energia.
Concetti base di relatività ristretta, quali il principio di relatività, la dilatazione del tempo,
l’equivalenza massa-energia e i concetti a essi propedeutici (sistemi di riferimento in moto relativo) vengono proposti per tutti i Licei, come base culturale necessaria per comprendere il “linguaggio” della relatività e le più rilevanti fenomenologie collegate.
Inoltre, si approfondisce lo studio del moto modellizzando, matematicamente e graficamente, le leggi del moto in situazioni particolarmente rilevanti (caduta dei gravi e moto armonico).
22
E’ di fondamentale importanza in questa fase la utilizzazione delle tecnologie informatiche per
lo sviluppo di abilità mirate alla comprensione dei concetti.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
Attraverso l’esame dei processi di trasferimento/scambio di energia tra sistemi elementari
discreti interagenti tra loro e via via più numerosi, si approfondiscono le proprietà dei sistemi
materiali con particolare attenzione ai parametri che determinano il loro modo di oscillare. Lo
studio delle condizioni necessarie perché in tali sistemi si stabiliscano onde stazionarie introduce
i concetti base su cui costruire i modelli attuali della struttura microscopica della materia, fornisce la chiave per comprendere il funzionamento dei dispositivi produttori di suono ed evidenzia
il fatto che sistemi continui possono dimostrare comportamenti discreti.
Si evidenzia inoltre come, dopo una prima fase di esplorazione su oggetti concreti, si può facilitare la costruzione dei concetti usando adeguate simulazioni al calcolatore, per poi tornare
all’esperimento per controllare l’efficacia dei modelli analizzati.
2) FENOMENI TERMICI
1° BIENNIO
Nel primo biennio la fenomenologia dell’interazione tra sistemi a temperatura diversa viene
proposta al fine di consolidare i concetti di temperatura e quantità di calore, che saranno stati
oggetto di studi precedenti. La trattazione si focalizza sui concetti di equilibrio e di evoluzione
verso l’equilibrio, fondamentali per la comprensione del significato di tali grandezze. L’analisi
parte dalla osservazione e dalla misurazione di fenomeni facilmente riproducibili, mirando
all’introduzione di modelli che descrivono la natura della temperatura e della pressione, i processi di scambio di calore attraverso la conduzione termica, i vari processi di riscaldamento/raffreddamento come effetti macroscopici di fenomeni che interessano i componenti microscopici dei corpi. Inoltre, attraverso il primo principio della termodinamica, viene introdotta
l’ipotesi, di un tipo di energia “interna” ai corpi, associata alla temperatura.
2° BIENNIO
Nel secondo biennio si completa il quadro con aspetti a livello più alto di astrazione, approfondendo l’analisi dei processi che avvengono durante l’evoluzione verso l’equilibrio termico;
ciò porta al secondo principio della termodinamica e ai concetti di entropia e irreversibilità, fondamentali per comprendere molte applicazioni della termodinamica in fenomeni naturali e tecnologici.
La riflessione sull’irreversibilità viene proposta a tutti i Licei nei suoi elementi di base, sufficienti però per far capire la portata dell’idea e le sue implicazioni, con approfondimenti su aspetti più avanzati, in particolare sull’entropia, per alcuni Licei. La discussione, prevalentemente
svolta con riferimento al livello macroscopico, affronterà in modo semplice anche il livello microscopico correlandosi alle conoscenze di tipo statistico previste per questo livello scolare nelle
indicazioni degli Obiettivi Specifici di Apprendimento per la matematica.
Ulteriori integrazioni in questa direzione vengono proposte per i Licei Scientifico e Tecnologico.
23
3) FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
1° BIENNIO
A partire dalla interazione di origine elettrica (già parzialmente sperimentata al primo biennio nell’area tematica Fenomeni Meccanici-Interazione e Forza) si introducono:
- il concetto di carica elettrica e la legge di Coulomb,
- il condensatore come magazzino temporaneo di cariche elettriche,
- la corrente come moto reale di cariche elettriche,
- il collegamento tra aspetti macroscopici e microscopico-strutturali che possono spiegare i
fenomeni di elettrizzazione, induzione e polarizzazione in elettrostatica,
- il collegamento tra aspetti macroscopici e microscopico-strutturali che possono spiegare la
corrente e la resistenza elettrica (moto delle cariche in un mezzo con attrito, da cui l’effetto
Joule),
- il raccordo tra circuiti elettrici e campo magnetico,
- il collegamento tra aspetti macroscopici e microscopico-strutturali che possono spiegare la
polarizzazione magnetica della materia.
2° BIENNIO
Si propone di affrontare per tutti i licei una riflessione sul concetto di campo e sulle caratteristiche generali dell’interazione e dell’energia trasmesse attraverso il campo, fino a introdurre a
livello qualitativo l’onda elettromagnetica, che trasporta a distanza l’interazione e l’energia. Tali
concetti vengono proposti a tutti i Licei nei suoi elementi di base, sufficienti però per far capire
la portata dell’idea e le sue implicazioni, con approfondimenti per i Licei Scientifico e Tecnologico su aspetti più avanzati, in particolare, sugli aspetti formali riguardanti le equazioni di Maxwell e su diversi temi di interesse per le applicazioni di corrente ed energia elettrica.
4) FENOMENI LUMINOSI
1° BIENNIO
Il punto di partenza è l’analisi delle osservazioni e descrizioni della fenomenologia quotidiana, per giungere a costruire i concetti astratti legati alla natura della luce.
Nel primo biennio si mira anzitutto ad una descrizione “cinematica” dei fenomeni luminosi,
per costruire le relazioni geometriche che consentono di prevedere i percorsi della luce nel vuoto
e nella materia. Lo studio è quindi orientato fortemente verso i fenomeni ottici che riguardano la
propagazione della luce nell’aria, nei mezzi materiali e nei punti di discontinuità tra mezzi diversi: si lavora con specchi, prismi, lenti, fibre ottiche, sistemi per formare immagini.
Si esplorano poi le interazioni luce-materia in relazione ai loro aspetti energetici nelle sorgenti luminose, nei mezzi attraversati dalla luce, negli oggetti illuminati, con riferimento alla
conservazione, al trasferimento e alla trasformazione dell’energia luminosa, preparando una base per gli approfondimenti del secondo biennio.
2° BIENNIO
Si osservano fenomeni difficilmente spiegabili con lo schema a “raggi” utilizzato nel primo
biennio, ma facilmente interpretabili con un’ipotesi ondulatoria, da cui la necessità di reinterpretare lo schema a raggi nel nuovo contesto. Si studiano altre evidenze che a loro volta non sono
spiegabili con il modello ondulatorio e si delinea il limite di validità della fisica classica e la necessità che ha portato alle due visioni - onda e corpuscolo - e ai loro diversi campi di applicazione. Emerge il problema della diversa natura della luce in relazione al suo comportamento in con24
testi diversi, problema che sarà affrontato nei sui termini generali nell’area tematica Struttura
della Materia, Particelle, Campi.
Approfondimenti specifici, in relazione agli spettri di emissione e assorbimento della luce
dal punto di vista microscopico, vengono proposti per i Licei Scientifico e Tecnologico.
5) TERRA E UNIVERSO
Lo studio della Terra e dell'Universo parte dall’osservazione diretta e dalla descrizione dei
fenomeni e degli oggetti celesti per giungere a costruire modelli e concetti astratti legati alla
struttura ed evoluzione dell'Universo.
1° BIENNIO
Si inizia l’astronomia a occhio nudo, richiamando l’osservazione e la descrizione del Sole,
del cielo e dei fenomeni correlati (scansione naturale del tempo: il dì e la notte, il ciclo della Luna, il ciclo delle stagioni, il ciclo annuo del Sole), che sono già state studiate in modo più semplice fin dalla scuola primaria e secondaria di primo grado.
-
Lo sviluppo successivo deve mirare a:
far apprezzare gli ordini di grandezza delle distanze astronomiche,
definire e utilizzare le coordinate geografiche e astronomiche,
analizzare i sistemi di riferimento geocentrico-geostatico ed eliocentrico.
2° BIENNIO
-
-
Partendo dalle conoscenze e abilità sviluppate nel primo biennio, si procede in due direzioni:
la formalizzazione delle conoscenze relative al sistema solare, attraverso le leggi di Keplero
e la legge di gravitazione universale di Newton, e il loro utilizzo nell'interpretazione dei fenomeni correlati (maree, comete, scoperta di nuovi pianeti, sistemi stellari doppi, …),
l’analisi delle informazioni che ci giungono dalle stelle e le ipotesi sulle loro caratteristiche
fisiche.
6) STRUTTURA DELLA MATERIA, PARTICELLE E CAMPI
Partendo dalla fenomenologia di base legata alle proprietà dei materiali si giunge all’analisi
della struttura microscopica della materia e ad affrontare i grandi temi della fisica moderna legati alla meccanica quantistica, alla fisica dei nuclei e delle particelle.
1° BIENNIO
Si inizia con l’esame della fenomenologia di base della materia legata alle proprietà dei materiali, quali lo stato di aggregazione, la densità, la conducibilità, e alle caratteristiche di fenomeni, quali la soluzione e la diffusione, per passare a una prima semplice modellizzazione della
struttura interna della materia introducendo il modello atomico-molecolare e tenendo conto degli
aspetti casuali presenti in un sistema macroscopico costituito da molte componenti microscopiche. Si approfondisce poi l’analisi dell’energia interna dei corpi, come somma delle energie di
moto e potenziale dei costituenti elementari della materia (molecole e atomi).
Le diverse proprietà della materia vengono poi interpretate alla luce del modello atomico di
Rutherford e della scoperta dell’elettrone. Vengono infine illustrati semplici modelli di struttura
dei diversi stati di aggregazione.
25
2° BIENNIO
La conoscenza della struttura microscopica della materia e la sua correlazione con le proprietà macroscopiche viene approfondita al secondo biennio. Il progredire delle conoscenze a
livello microscopico richiede la introduzione di teorie, presentate anche in modo formale, nonché la gestione di situazioni complesse che richiedono collegamenti a diversi livelli. Si procede
quindi ad introdurre:
- gli elementi di base della fisica dei quanti, sufficienti per capire ciò che cambia nelle leggi della meccanica quando si riducono le dimensioni dei corpi,
- i dettagli della struttura atomica che seguono dalle leggi quantistiche,
gli elementi di fisica nucleare utili per capire gli aspetti delle applicazioni della fisica nucleare alla vita quotidiana.
L’analisi della composizione e struttura del nucleo mira alla costruzione del concetto di “energia di massa”, che sta alla base dell’energia nucleare, e alla sua trasformazione in altre forme
di energia.
A primo completamento dell’analisi si propone una riflessione sulle quattro interazioni fondamentali che attualmente descrivono e interpretano proprietà e struttura della materia.
Approfondimenti su aspetti più avanzati, relativi alla meccanica quantistica da un lato e alla
fisica nucleare dall’altro, vengono proposti, con alcune variazioni, per il quinto anno dei Licei
Scientifico, Tecnologico e Classico.
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO PER IL 5° ANNO
Il quinto anno del Liceo dovrebbe essere proiettato verso la scelta degli studi successivi oltre
che verso l'approfondimento e il completamento dei temi avviati nei bienni precedenti.
Mentre gli obiettivi di approfondimento e completamento interessano principalmente i Licei
Scientifico e Tecnologico e secondariamente il Liceo Classico, l'orientamento formativo può riguardare tutti i Licei, anche perché moduli di orientamento formativo potrebbero essere previsti
fra i moduli opzionali, mirati appunto a ottimizzare la scelta verso studi universitari o di istruzione e formazione superiore.
Vengono così suggeriti obiettivi comuni a tutti i Licei, mirati all'orientamento formativo verso gli studi successivi, che riprendono i due ruoli che svolge la fisica nella società attuale, e cioè:
-
da un lato, le applicazioni della fisica "moderna", che permeano profondamente la nostra
vita quotidiana,
-
dall'altro, l'impronta culturale della fisica sul modo di pensare dell'uomo moderno attraverso l’analisi dell’influenza dello sviluppo scientifico e tecnico sulla cultura filosofica e
sull’evoluzione della società, e viceversa.
Obiettivi più specifici sono poi suggeriti, con scopi di approfondimento e completamento,
per i due Licei più legati alla preparazione scientifico-tecnologica e per il Liceo Classico che li
analizzerà in un contesto di interazione/confronto con lo sviluppo attuale del pensiero storico,
filosofico, sociale e artistico. Le tematiche della ricerca attuale in fisica sono suddivise in tre
campi:
-
i modelli di struttura microscopica della materia idonei a spiegare i più recenti risultati
nel campo della superconduzione, fissione e fusione nucleare, e della fisica subnucleare;
-
la relatività generale con i problemi inerenti la struttura dello spazio-tempo e
l’interazione luce-campo gravitazionale;
26
-
i modelli che descrivono e interpretano l’origine e l’evoluzione dell’Universo.
27