Progetto di attività didattica
Luce, quanti e costante di Planck:
dalla teoria dell’elettromagnetismo verso la nuova meccanica quantistica
Serena Cenatiempo
TFA A049
Laboratorio di Elettromagnetismo
Indirizzo di studio al quale l’attività è rivolta
Liceo Scientifico
Classe alla quale l’attività didattica è rivolta:
Classe V
Periodo dell’anno scolastico
II semestre, approssimativamente nel mese di Aprile
Tempo previsto per l’attuazione:
12 h di lezione (4 settimane)
Motivazioni che hanno indotto la scelta dell’attività e aspetti interdisciplinari
La teoria dell’elettromagnetismo – con le equazioni di Maxwell – rappresenta l’apice della fisica
classica e allo stesso tempo il punto di partenza della nuova fisica moderna, nelle sue due principali
espressioni: la relatività einsteiniana e la meccanica quantistica.
La proposta didattica descritta in questo progetto è pensata come successiva alla presentazione della
relatività ristretta ed è preliminare a un successivo percorso didattico riguardante l’evidenza sperimentale
della natura ondulatoria della materia, il principio di indeterminazione e accenni all’equazione di
Schrödinger e al suo significato. Dal punto di vista didattico si ritiene utile separare in due momenti
didattici distinti la quantizzazione dell'energia - con la discussione dei modelli atomici e del duplice
comportamento ondulatorio e corpuscolare della luce - dall'introduzione dell'ipotesi di De Broglie. Infatti
separando temporalmente e didatticamente i due momenti si dà tempo agli studenti di assimilarne i
rispettivi risvolti concettuali e di comprendere meglio il percorso storico, scientifico ed epistemologico alla
base della meccanica quantistica. Non sembra un caso che anche dal punto di vista storico, in un periodo
fervido come quello della scienza di inizio novecento, ben 10 anni separino il lavoro di Bohr dalla tesi di
dottorato di De Broglie.
La rilevanza disciplinare e interdisciplinare (si pensi ai profondi legami con la filosofia e la chimica) di
una introduzione alla meccanica quantistica è evidente. Non va inoltre sottostimata l'influenza di tale
disciplina nelle applicazioni tecnologiche che anche quotidianamente i ragazzi utilizzano (transistor, laser,
celle solari, PET solo per citarne alcuni); da questo punto di vista appare particolarmente importante che
alla conclusione del liceo scientifico gli studenti siano a conoscenza della rivoluzione tecnologica basata
sulla nuova teoria. Il lavoro dell’insegnante avviene quindi su due fronti: da un lato occorre introdurre la
rivoluzione concettuale alla base della meccanica quantistica con un formalismo matematico accessibile e
ponendo sempre in evidenza i concetti fondanti; allo stesso tempo occorre mostrare agli studenti che la
meccanica quantistica - per quanto distante dall’intuizione comune - non è affatto una disciplina astratta,
ma che al contrario su di essa si basano molti degli apparecchi di uso comune.
Obiettivo di questo progetto didattico è presentare il primo concetto chiave del percorso verso la
meccanica quantistica, quello della quantizzazione dell’energia. Tale concetto verrà esaminato
attentamente e criticamente, a partire dalle problematiche storiche da cui ha preso le mosse, passando per
una riflessione sul suo significato e sulle sue conseguenze, fino ad una sua “verifica” semplice in
laboratorio.
Finalità educative e didattiche dell’attività
- Presentare le problematiche storiche che hanno portato alla nascita della meccanica quantistica,
sottolineando l’insufficienza della fisica classica nel descrivere alcuni fenomeni legati all’emissione e
assorbimento della luce.
- Comprendere le motivazioni che hanno portato alla nascita del concetto di energia quantizzata. Capire
la portata e le conseguenze di questa assunzione.
1
-
Ripercorrere lo sviluppo della teoria atomica – affrontata già in chimica nel corso del quarto anno –
con la metodologia della fisica, esaminando idee ed esperimenti che hanno portato all’elaborazione
dei diversi modelli atomici. Capire le regole fondamentali delle forze chimiche (livelli atomici,
tavola periodica, stabilità etc.).
-
Approfondimento tecnologico: funzionamento del diodo al LED e delle celle fotovoltaiche,
applicazioni dell’effetto fotoelettrico.
Breve sintesi dell’attività
L’attività didattica è articolata in quattro parti, indicate di seguito con lettere latine. Per ciascuna parte è
stata indicata la stima delle ore di lezione necessarie al suo svolgimento.
A. Scienza e tecnologia sul finire dell’ottocento: successi, scoperte e nuovi interrogativi (2h)
a. I successi della fisica e il trionfo della tecnologia: Maxwell e il trattatto sull’elettromagnetismo del
1873; Hertz e la rilevazione delle onde elettromagnetiche nel 1880; tre eventi emblematici dei
successi della tecnologia sono: l’esposizione mondiale di Parigi del 1889 (con l’inaugurazione della
Torre Eiffel con i suoi ascensori), l’esposizione colombiana in America del 1892 (con la
presentazione del primo telegrafo), il brevetto della radio nel 1896. Si è giunti alla fine della fisica?
b. Le nuove scoperte: esistenza dei protoni (Goldstein,1886), i raggi X (Lenard 1887, Tesla 1897), la
radioattività (Bequerel 1896, Curie 1898), la misura del rapporto carica/massa dell’elettrone
(Thomson,1897). In questi anni diventa chiaro che l'atomo è formato da particelle elementari e non è
l'unico componente della materia.
c. I problemi insoluti: radiazione emessa dal corpo nero, spettri atomici.
d. LABORATORIO: spettri di emissione di vari materiali. Nel caso in cui il liceo non disponga del
materiale necessario per l’esperienza sarebbe interessante prendere contatti con i laboratori di fisica
dell’università, per un pomeriggio di esperienza nell’ambito del progetto lauree scientifiche. In
collaborazione con l’insegnante di chimica esperimento con il becco bunsen.
B. Quanti di luce: un’idea chiave (5h)
a. 1900. Ipotesi di Planck e la soluzione del problema del corpo nero (1h)
b. 1905. Einstein e l’effetto fotoelettrico. (1h)
c. LABORATORIO. Misura della costante di Planck con un diodo al LED. (1h)
d. TECNOLOGIA. Applicazioni dell’effetto fotoelettrico nella vita quotidiana: apertura/chiusura
automatica delle porte, pannelli solari fotovoltaici, sensori di immagine digitale, alla base di
macchine digitali, fotocamere, scanner etc. (Il primo sensore di immagine digitale risale al 1969).
(1h)
e. DISCUSSIONE IN CLASSE. Analisi critica dei risultati delle ipotesi di Planck e Einstein e
confronto con gli esperimenti di diffrazione e interferenza della luce visti nella prima parte dell’anno
scolastico. La luce è un’onda o una particella? Ha senso usare le parole “onda” o “particella”
nell’ambito dei fenomeni microscopici? (1h)
C. La struttura dell’atomo (2h)
a. Il modello di Thomson (1904), l’esperienza di Millikan (1909), l’esperimento di Rutherford e la
scoperta del nucleo (1911), il modello planetario e suoi problemi (1h)
b. Atomo di Bohr (1913), quantizzazione dei livelli atomici e comprensione dello spettro dell’atomo di
idrogeno. Problemi dell’atomo di Bohr. (1h)
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D. Riflessione sull’unità didattica e domande aperte (3h)
a. Visione di una selezione del racconto di S.L. Glashow sulla nascita dell’idea di quanto. Qual è il
significato delle regole introdotte da Planck e Bohr? E’ possibile che siano solo un’espediente?
Perché funzionano? Siamo ancora lontani dalla formulazione di una teoria completa, che
comprenda la quantizzazione e descriva i fenomeni quantistici. (1h)
b. Presentazioni fatte dagli studenti sugli argomenti affrontati nel corso dell’unità didattica. (2h)
Competenze
disciplinari
trasversali
da
acquisire
potenziare
e
o
Abilità
Conoscenze preliminari
- Esperienza con laboratorio di - Elettromagnetismo, compresa la
formulazione delle equazioni di
elettromagnetismo,
in
- Capire come nasce un nuovo
Maxwell
particolare con la costruzione
modello interpretativo
di
circuiti
semplici
e - Natura ondulatoria della luce:
l’utilizzo
di
volmetri
e
- Comprendere la differenza tra
frequenza, intensità, fenomeni di
amperometri.
la
visione
della
diffrazione e interferenza della
matematizzazione caratteristica
luce
della
fisica
classica
- Conoscenza del funzionamento
(corrispondenza univoca tra
dei semiconduttori
matematica e natura) e quello
della modellistica (possibilità di
rappresentare la stessa classe di
fenomeni mediante differenti
approcci),
in
particolare
rispetto al comportamento della
luce (dualismo onda/particella).
Problematiche connesse all’attività
Di seguito sono elencate le maggiori problematiche didattiche connesse all’attività.
- La comprensione dell’inefficienza della fisica classica nella descrizione dello spettro del corpo nero e
dell’effetto fotoelettrico, così come le soluzioni di Planck, Einstein e Bohr, possono essere presentate
solo in maniera qualitativa, poiché le dimostrazioni richiedono conoscenze troppo avanzate. D’altra parte
la formula ottenuta da Planck per la radianza può essere almeno discussa nei due limiti di bassa e alta
frequenza, vista la familiarità dei ragazzi con il concetto di limite. Nel caso dell’atomo di Bohr è
possibile mostrare come a partire dalle ipotesi i) moto circolare dell’elettrone, ii) quantizzazione del suo
momento angolare, iii) transizioni elettroniche permesse “a salti” discreti, si ottiene la formula di Balmer
per l’atomo di idrogeno.
- E’ possibile che la quantizzazione dell’energia appaia agli studenti come un espediente introdotto ad hoc
e/o come un concetto astratto, in quanto lontano sia dall’intuizione che dall’esperienza quotidiana. E’
questo il motivo per cui nel corso dell’attività si prevedono più momenti di discussione con i ragazzi sul
perché l’espediente “funzioni” e sulla possibilità che il comportamento della materia a livello
microscopico non debba essere necessariamente simile a quello che sperimentiamo con i nostri sensi.
L’esperienza sulla misura della costante di Planck appare particolarmente significativa per sostanziare
quanto appreso dal punto di vista teorico.
- La parte laboratoriale richiede una pre-comprensione profonda di quello che si sta osservando, con
maggiore sforzo interpretativo rispetto a quanto accade con gli esperimenti della fisica classica. D’altra
parte questa difficoltà può essere uno spunto per affrontare con i ragazzi il modo in cui vengono
investigati i fenomeni microscopici, che non possono essere osservati in maniera “diretta”, ma
richiedono esperimenti “indiretti” e una attenta interpretazione dei risultati (in questo senso anche
l’esperienza di Rutherford risulta particolarmente paradigmatica).
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- I ragazzi hanno imparato e sperimentato nel corso del nucleo didattico sull’elettromagnetismo che la luce
è un’onda. L’interpretazione corpuscolare della luce di Einstein appare in contraddizione con quanto
imparato in precedenza. La discussione sul dualismo onda/particella è particolarmente significativa e và
affrontata in maniera critica, non dando “soluzioni preconfezionate”, ma guidando i ragazzi nella
riflessione.
Descrizione della Metodologia e motivazione dell’approccio (es. teorico-descrittivo, sperimentale, storico,
museale, multimediale etc)
Il progetto prevede un alternanza di metodologie didattiche diverse, al fine di sfruttarne le diverse
potenzialità e di rendere le lezioni il più possibile coinvolgenti e comunicative. In particolare si prevede di
utilizzare:
a) Approccio multimediale, tramite una selezione dell’ampio materiale didattico disponibile in rete, si
vedano in proposito le referenze indicate.
b) Approccio teorico-descrittivo: lezioni frontali dedicate alla spiegazione della radiazione di corpo
nero, dell’effetto fotoelettrico e della teoria atomica. Le lezioni saranno sempre supportate da
materiale multimediale, per facilitare la comprensione dei fenomeni descritti (cosa si intende per
corpo nero, come funziona l’effetto fotoelettrico, semplici schematizzazioni dei modelli atomici etc).
c) Approccio sperimentale: le due attività in laboratorio rappresentano l’occasione per sperimentare,
toccare con mano, quanto introdotto in maniera teorica nelle lezioni frontali. Cio permette ai ragazzi
di dare concretezza a quanto raccontato a voce o visto su internet, evitando che i nuovi concetti
restino “astratti” e “distanti”.
d) Approccio storico. Il percorso di nascita e sviluppo della meccanica quantistica ha una notevole
valenza didattica, sia dal punto di visto epistemologico che filosofico. Nell’attività didattica ci si
propone di seguire il più possibile lo sviluppo storico degli eventi, per aiutare i ragazzi a ripercorrere
le idee che hanno portato allo sviluppo della meccanica quantistica, riconoscendo gli sforzi, le
difficoltà, i dubbi, le comprensioni e incomprensioni dei padri fondatori della nuova teoria. In questo
modo i “postulati” della meccanica quantistica dovrebbero risultate meno misteriosi di quanto non
potrebbero apparire in una presentazione “assiomatica” del nuovo modello.
Elementi di innovazione metodologica e di contenuto
- Le lezioni in aula sono supportate da due esperimenti in laboratorio e da materiale audiovisivo
disponibile su web.
- Il lavoro in classe è basato non solo su lezioni frontali ma su momenti di discussione in cui si
rivedono e si discutono insieme gli esperimenti o le idee chiave presentate dall’insegnante, cercando
insieme una sistematizzazione di quanto viene man mano appreso.
- Durante il percorso didattico viene favorito il lavoro autonomo o guidato dello studente su testi scritti
forniti dal docente, così come le ricerche on line di materiale utile alla classe. Il materiale sviluppato o
selezionato dagli studenti sarà a disposizione di tutti su un archivio on line.
Elenco e Descrizione Materiali Didattici impiegati, motivazione della loro scelta
- Materiale teorico: selezioni di libri, appunti, materiale on line di vario tipo (documenti, video, applet,
interviste), come indicato nelle referenze di pag.5.
- Proiettore per visione in classe di video e/o applet.
- Materiale per esperienze di laboratorio. Per l’esperimento di spettroscopia: spettroscopio, lampade a
gas di diverse sostanze. Per la misura della costante di Planck: alcuni LED di diverso colore.
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Valutazione formativa degli apprendimenti, indicare esplicitamente le prestazioni degli studenti oggetto
della verifica,le modalità e la tipologia degli strumenti utilizzati.
Oggetto della valutazione sarà innanzitutto la partecipazione dei ragazzi all’attività didattica. Durante lo
svolgimento dell’attività verrà dato spazio a domande e osservazioni da parte dei ragazzi. Alla fine di ogni
lezione verrà chiesto ai ragazzi di riassumere verbalmente quanto spiegato o osservato nella parte di
esperimenti, per verificare che la lezione sia stata efficace e chiarire eventuali dubbi.
Come conclusione dell’attività didattica verrà chiesto ai ragazzi di preparare in gruppi una breve
presentazione (10 minuti, più 5 minuti per domande) su uno degli argomenti trattati nel corso dell’unità
didattica, sia esso un argomento di tipo teorico o un esperimento. I ragazzi potranno arricchire il lavoro con
approfondimenti propri o collegamenti interdisciplinari. Ciascun gruppo presenterà il proprio lavoro di
fronte alla classe, rispondendo ad eventuali domande dei propri compagni. Questa modalità di verifica
appare particolarmente utile anche in vista della preparazione all’esame di stato.
Bibliografia e sitografia ragionata
Parte introduttiva
http://wunderkammer.liceodini.it/elettromagnetismo/circuiti-elettrici/tubi-di-scarica/tubo-di-goldstein.html
Descrizione del tubo di Goldestein
www.liceoferraris.it/public/documenti/matematica/dottssa%20Bondani_spettroscopia_corpo%20nero.pptx
lezione con esperimento su spettroscopia e corpo nero per le classi quinte al liceo Ferraris (Varese)
http://www2.pv.infn.it/~rimoldi/lab3.pdf. Esperimento con lo spettroscopio
http://oldphysicscom.unimore.it/effettofotoelettrico.html Esperimento effetto fotoelettrico nell’ambito del
progetto lauree scientifiche
Quantizzazione dell’energia
http://www.youtube.com/watch?v=duHX6Riqzr4 S.L. Glashow racconta “Max Planck, Quanti quantità
di Energia Misurabile”, video divulgativo di 1h e 12minuti in italiano.
G. Carlo Ghirardi – Un’occhiata alle carte di Dio, 2003 Libro divulgativo – ma che richiede buone
conoscenze matematiche e fisiche - sulla meccanica quantistica, con molti esempi che aiutano a capire i
nodi concettuali e interpretativi della teoria
http://www.mi.infn.it/~phys2000/quantumzone/bohr.html Sito divulgativo della sezione infn di milano
sulla meccanica quantistica; tra le molte applet particolarmente utile in classe quella sull’atomo di bohr.
http://www.youtube.com/watch?v=Vb-iS_vHa28 Presentazione ppt sulla storia dei modelli atomici
http://www.angeloangeletti.it/MATERIALI_LICEO/MQ08_09.pdf Appunti di meccanica quantistica per
studenti di liceo.
Diodi a LED
http://www.youtube.com/watch?v=WjvUVjuHRtc Video molto istruttivo sul funzionamento del diodo
LED (in inglese)
http://www.youtube.com/watch?v=Cn_VJLdLwwk Quale resistenza mettere in serie ad un diodo LED di
un certo colore? Utile per la progettazione dell’esperienza per la misura della costante di Planck.
Celle fotovoltaiche
http://www.youtube.com/watch?v=1gta2ICarDw
delle celle solari (in inglese)
Video con un’ottima descrizione del funzionamento
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