Lezioni Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria
Laurea quadriennale abilitante – 3 anno Maior Scientifico
A.A. 2011-12
Prof. Giovanna Puddu
2h 11/10/11
Introduzione al corso di Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria.
L’educazione unitaria e le discipline. Obiettivi della didattica delle scienze.
Lo studio della natura e le specializzazioni. L’interdisciplinarità.
L’insegnante colto e la scelta dei programmi e dei metodi.
L'oggetto di indagine della Fisica e le 'dimensioni'. Gli ordini di grandezza e le unita' di
misura.
2h 17/10/11
Ancora sulle dimensioni della natura. Multipli, sottomultipli ed ordini di grandezza.
L’osservazione di oggetti di diverse dimensioni. L’occhio e gli strumenti ottici.
LA LUCE
L’importanza dello studio della luce.
I modelli. Modello corpuscolare e ondulatorio. Fotoni e onde.
Lunghezza d’onda, periodo e frequenza per grandezze periodiche.
La luce, i colori ed i fotoni di diversa energia. Energia, lunghezza d’onda e frequenza dei
fotoni per radiazioni nel visibile e non.
Diversa penetrabilità dei fotoni di diversa frequenza.
Velocità della luce nel vuoto.
2h 18/10/11
Sorgenti luminose e propagazione della luce.
Luce-luce e il principio di sovrapposizione.
Interazione fra la luce e i corpi. Corpi trasparenti e opachi.
Trasmissione e assorbimento della luce. Interazione fra la luce e i corpi: riflessione,
diffusione, rifrazione. Localizzazione degli oggetti da parte dell’occhio.
Le leggi della riflessione. Superfici non levigate e diffusione.
Diottri piani e rifrazione. Invertibilità del cammino ottico.
2h 24/10/11
La rifrazione e le leggi di Snell. Indice di rifrazione assoluto e relativo.
Rifrazione e riflessione parziale in un diottro. L’invertibilità del cammino ottico.
Lastra a facce piane parallele: traslazione delle immagini.
Dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda.
Dispersione della luce. Mezzi dispersivi e separazione dei colori. Il prisma.
2h 25/10/11
La riflessione totale e l’angolo limite. Le fibre ottiche.
Specchi piani: costruzione delle immagini con specchi piani. L’ingrandimento lineare.
Oggetti ed immagini congruenti. Immagini stigmatiche e simmetriche.
Oggetti opachi e ombre
Effetti di rifrazione, riflessione totale e dispersione: l’arcobaleno
Limiti dell’ottica geometrica: corpi di dimensioni d confrontabili con la lunghezza d’onda
della luce. Cenni alle figure di diffrazione e interferenza.
2h 31/10/11
Strumenti ottici e ‘concentrazione’ dell’energia luminosa.
Specchi curvi, parabolici e sferici, concavi e convessi. Il fuoco e l’asse ottico.
Le approssimazioni di Gauss (piccola apertura e approssimazione parassiale) e
congruenza fra le immagini e gli oggetti. Immagini ingrandite e rimpicciolite.
Immagini reali e virtuali.
Lenti sferiche convergenti e divergenti.
2h 7/11/11
Ancora su: Specchi e lenti sferiche sottili. Approssimazioni di Gauss (piccola apertura e
approssimazione parassiale) e congruenza fra le immagini e gli oggetti. Immagini
ingrandite e rimpicciolite, reali e virtuali. Aberrazioni. Ingrandimento lineare.
Costruzione di immagini con specchi, diottro piano (remo spezzato) e diottro sferico
(sistema aria-acqua).
Discussione su divulgazione e formazione scientifica: il ruolo degli insegnanti.
2h 8/11/11
Partecipazione al FestivalScienza organizzato da ScienzaSocietaScienza.
Laboratorio interattivo su ‘I colori del cielo’ animato dalla dott. Silvia Casu dell’INAF,
Osservatorio Astronomico di Cagliari.
2h 14/11/11
Lenti sferiche sottili e approssimazioni di Gauss. Cammino ottico di ‘raggi particolari’ e
costruzione di immagini per lenti convergenti. La lente d’ingrandimento.
Costruzione di immagini con lenti divergenti.
2h 15/11/11
La formula delle lenti.
Correzione dei difetti dell’occhio con lenti. La diottria.
Come insegnare l’ottica nella scuola primaria?
STRUTTURA DELLA MATERIA E STATI DI AGGREGAZIONE:
La massa come forma di energia. E = m c2
Molecole e sostanze; atomi ed elementi.
Distanza media fra le molecole e stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas.
Unità di misura per volumi e capacità.
La densità. Significato di grandezze derivate dal rapporto di grandezze disomogenee.
2h 21/11/11
Densità media. Media pesata. Densità locale e omogeneità.
Grandezze estensive ed intensive.
Corpi immersi in un liquido: densità relativa e galleggiamento.
Percentuale di volume immerso e densità relativa corpo-liquido.
Corpi materiali e strutture.
Strutture e componenti. Composizione e scomposizione.
Il problema dei componenti elementari: Quali? Quanti? Come si combinano?
Molecole e sostanze; atomi ed elementi.
2h 22/11/11
Distanza media fra le molecole e stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas.
Principi di conservazione della massa e del volume per solidi e liquidi ideali a
temperatura costante. Unità di misura per volumi e capacità.
Lettura di alcuni passi sugli atomi (semi, principi primi) e sulla loro aggregazione
dal De Rerum Natura di Lucrezio.
Cenni agli esperimenti d’urto. L’analogia fra la materia ed il linguaggio.
Cenni allo sviluppo della chimica nel XIX secolo. La classificazione degli atomi.
L’elenco e la massa atomica. La costruzione della tavola di Mendeleev.
Gli elementi mancanti e la previsione.
Cenni all’uso dei modelli.
Modello dell’atomo di Thomson. Gli elettroni. La carica elettrica negativa e positiva.
Rutherford: il modello planetario dell’atomo e il nucleo.
La struttura dei nucleoni: i quark. Cenni al modello standard: i quark e i leptoni.
2h 12/12/11
Stati di aggregazione e principi di conservazione
Stati di aggregazione e densità
Interazioni elementari e forze intermolecolari
Andamento delle forze intermolecolari con la distanza
Stati di aggregazione e distanze intermolecolari medie
Variazione di temperatura e dilatazione.
La temperatura nella fase di passaggi di stato
2h 13/12/11
Ancora sugli stati di aggregazione e sulla distanza media intermolecolare
Le forze. Grandezze vettoriali. Forze attrattive e repulsive.
Forze e deformazione. Il caso della variazione di lunghezza della molla.
Il dinamometro. Misura delle forze. Il Newton.
Somma di vettori: la regola del parallelogramma.
Sistema di forze applicate ad uno stesso corpo: la risultante.
2h 19/12/11
Moltiplicazione di un vettore per uno scalare. Differenza di vettori.
Composizione e scomposizione di vettori. Proprietà commutativa e associativa per la
somma. Composizione di forze e Risultante.
Forze inter-molecolari nei liquidi: andamento con la distanza.
Risultante per le molecole in superficie e la pressione superficiale.
2h 20/12/11
Ancora sulle forze inter-molecolari nei liquidi. Situazione energeticamente svantaggiosa
per le molecole in superficie e tendenza a raggiungere stati di equilibrio con superfici
libere di area minima. Le superfici liquide tendono a contrarsi: la tensione superficiale.
Sforzi di pressione e di taglio e deformazioni per i solidi ideali.
I liquidi non resistono agli sforzi di taglio: all’equilibrio solo forze perpendicolari alle
superfici. Forze di coesione e di adesione vicino alle pareti del recipiente. Liquidi che
‘bagnano le pareti’. Il capillare.
30 ore, fine del primo semestre.
2h 05/03/12 (prima lezione II parte)
IL MOVIMENTO
Introduzione alla meccanica: studio del movimento e dell’equilibrio.
I corpi di dimensioni trascurabili (corpi puntiformi) e i corpi estesi (rigidi e non).
Posizionamento di un punto e sistemi di riferimento. Il cambio di posizione e lo spostamento.
Distanza fra punti (sulla retta e sul piano). Modulo dello spostamento e lunghezza della
traiettoria. Misure di lunghezze e di tempi.
La velocità. Il rapporto fra grandezze disomogenee.
Grandezze vettoriali. Rappresentazione geometrica dei vettori
2h 06/03/12
Moto di un punto su una retta. Grafici spazio-tempo e rappresentazione della velocità.
Velocità costante. La legge oraria nel moto rettilineo uniforme.
Formule inverse e problemi sul moto rettilineo uniforme.
La variazione della velocità e l’accelerazione.
Grafici velocità-tempo e accelerazione-tempo.
Il moto uniformemente accelerato (M.U.A) e le leggi orarie.
2h 12/03/12
Il principio di inerzia. Dalle osservazioni ingenue all’interpretazione astratta.
La complessità nello studio di un fenomeno e la scelta delle variabili significative
(esempio del corpo che si muove con attrito).
Le ‘cause’ di accelerazione. Forze e composizione di forze. La risultante.
Il secondo principio della dinamica.
F = m a. La massa inerziale.
2h 13/03/12
Grandezze vettoriali. Rappresentazione geometrica dei vettori e somma di vettori.
Sistema di forze a risultante nulla. Condizioni di equilibrio per un corpo ‘puntiforme’.
Scomposizione di forze. Vincolo piano e reazione vincolare.
Piano inclinato senza attrito. Forza di attrito radente e di resistenza viscosa.
Corpi estesi. Corpi rigidi e deformabili.
Forze applicate a corpi rigidi. Risultante di forze concorrenti. Coppia di forze e rotazione.
2h 19/03/12
ENERGIA:
Il lavoro di una forza. Lavoro positivo, nullo e negativo. Il lavoro delle forze d’attrito.
L’energia cinetica k.
Il teorema dell’energia cinetica: lavoro e variazione di k.
La reazione vincolare (vincolo piano) e il piano inclinato: discussione utilizzando
il teorema dell’energia cinetica.
Le forze conservative. L’energia potenziale. Lavoro e variazione di energia potenziale.
Il principio di conservazione dell’energia meccanica.
2h 20/03/12
Risultante di forze parallele e centro di spinta. Il baricentro.
Momento di una forza rispetto ad un punto e rotazione.
Corpi vincolati in un punto. Le leve.
2h 26/03/12
Le forze: interazioni elementari e forze macroscopiche.
Interazioni elementari a lungo raggio d’azione.
Interazioni fra masse e fra cariche elettriche ‘puntiformi’.
La legge di gravitazione universale e la legge di Coulomb.
Principio di sovrapposizione e risultante delle forze agenti su un corpo.
Andamento con la distanza delle forze gravitazionale ed elettrica: rappresentazione grafica.
Le cariche positive e negative. Le cariche nell’atomo. Elettroni e protoni.
Masse a simmetria sferica e legge di gravitazione per corpi a simmetria sferica.
Il peso.
2h 27/03/12
Forza gravitazionale e peso.
Andamento della forza gravitazionale dovuto ad una massa a simmetria sferica (come la terra).
Variazione del peso con la quota.
Il peso, la massa e l’accelerazione di gravità.
Forza su una carica in campo gravitazionale e sua accelerazione a=g.
2h 02/04/12
Forze a distanza e terzo principio della dinamica.
INTERAZIONI e CAMPI
Le interazioni fondamentali: a lungo e corto raggio d’azione.
Dalla concezione dell’interazione come forze a distanza alla concezione di campo.
Il campo gravitazionale e il campo elettrico
2h 03/04/12
L’interazione mediata dal campo. Limiti del terzo principio della dinamica.
Cenni alle particelle di scambio.
Il campo gravitazionale g e il campo elettrico E.
Variazione di g con la quota intorno alla terra.
Forza su una carica in campo gravitazionale e sua accelerazione a=g.
Forza su una carica in campo elettrico e sua accelerazione a=E q/m.
VACANZE DI PASQUA 2012
II semestre: 10 lezioni = 20 ore
2h 16/04/12
Rappresentazione dei campi con le linee di campo (e di forza).
Campi uniformi e variabili punto per punto, campi centrali.
Moto di un corpo in un campo uniforme (gravitazionale o elettrico), con velocità qualunque:
moto parabolico.
Moto circolare uniforme (M.C.U.) sotto forze centrali.
Moti periodici: Periodo T e frequenza. L’Herz.
Forze centrali e lavoro nullo: energia cinetica costante.
Effetti della componente parallela e perpendicolare della Forza (dell’accelerazione) sulla
velocità.
2h 17/04/12
Esempio di unità didattica sui concetti di traiettoria in campo gravitazionale e sul sistema
solare: analisi e discussione.
Moto parabolico: formula della gittata e della quota massima.
L’ellisse e la traiettoria dei pianeti.
2h 23/04/12
CORRENTI ELETTRICHE
Portatori di carica nella materia e neutralità macroscopica.
Portatori di carica nei gas, nelle soluzioni elettrolitiche e nei metalli.
Conduttori metallici: ioni del reticolo cristallino ed elettroni di conduzione.
Forza su una carica in campo elettrico e sua accelerazione a=E q/m.
Variazione dell’energia cinetica per una carica che si muove in c.e.
Le correnti elettriche e l’intensità di corrente. Il Coulomb e la carica elementare.
Energia e differenze di potenziale. Il Volt. Il Joule. L’Ampère.
Movimento degli elettroni dentro un metallo sotto l’azione di un campo elettrico: resistenza
dovuta agli urti ed effetto Joule: riscaldamento del metallo.
Conduttori metallici e leggi di Ohm . La resistenza elettrica e l’Ohm
2h 24/04/12
Circuiti elettrici resistivi. Resistenze in serie e parallelo.
Elettrizzazione dei materiali. Polarizzazione delle molecole in c.e., elettrizzazione indotta.
2h 30/04/12
Magneti permanenti e poli magnetici. Le correnti elementari nei magneti permanenti.
Correnti elettriche e campo magnetico. Il vettore B. Linee di campo per il campo magnetico e
ago di una bussola. Il campo magnetico terrestre.
Azione di un campo magnetico su una carica in moto: deviazione.
Come parlare di elettricità e magnetismo nella scuola primaria?
Conclusione del Corso
