LICEO SCIENTIFICO STATALE
“LORENZO MASCHERONI”
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DIPARTIMENTO DI MATEMATICA E FISICA
Anno scolastico 2015/2016
PROGRAMMAZIONE DI FISICA PER IL SECONDO BIENNIO
secondo le indicazioni nazionali dei nuovi Liceo Scientifico e Liceo delle Scienze Applicate
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO
Nel secondo biennio il percorso didattico darà maggior rilievo all’impianto teorico (le leggi della fisica) e
alla sintesi formale (strumenti e modelli matematici), con l’obiettivo di formulare e risolvere problemi più
impegnativi, tratti anche dall’esperienza quotidiana, sottolineando la natura quantitativa e predittiva delle
leggi fisiche. Inoltre, l’attività sperimentale consentirà allo studente di discutere e costruire concetti,
progettare e condurre osservazioni e misure, confrontare esperimenti e teorie.
Saranno riprese le leggi del moto, affiancandole alla discussione dei sistemi di riferimento inerziali e non
inerziali e del principio di relatività di Galilei.
L’approfondimento del principio di conservazione dell’energia meccanica, applicato anche al moto dei
fluidi e l’affronto degli altri principi di conservazione, permetteranno allo studente di rileggere i fenomeni
meccanici mediante grandezze diverse e di estenderne lo studio ai sistemi di corpi. Con lo studio della
gravitazione, dalle leggi di Keplero alla sintesi newtoniana, lo studente approfondirà, anche in rapporto con
la storia e la filosofia, il dibattito del XVI e XVII secolo sui sistemi cosmologici.
Si completerà lo studio dei fenomeni termici con lo studio dei gas, familiarizzando con la semplificazione
concettuale del gas perfetto e con la relativa teoria cinetica; lo studente potrà così vedere come il paradigma
newtoniano sia in grado di connettere l’ambito microscopico a quello macroscopico. Lo studio dei principi
della termodinamica permetterà allo studente di generalizzare la legge di conservazione dell’energia e di
comprendere i limiti intrinseci alle trasformazioni tra forme di energia, anche nelle loro implicazioni
tecnologiche, in termini quantitativi e matematicamente formalizzati.
Si inizierà lo studio dei fenomeni ondulatori con le onde meccaniche, introducendone le grandezze
caratteristiche e la formalizzazione matematica; si esamineranno i fenomeni relativi alla loro propagazione
con particolare attenzione alla sovrapposizione, interferenza e diffrazione. In questo contesto lo studente
familiarizzerà con il suono (come esempio di onda meccanica particolarmente significativa) e completerà lo
studio della luce con quei fenomeni che ne evidenziano la natura ondulatoria.
Lo studio dei fenomeni elettrici e magnetici permetterà allo studente di esaminare criticamente il concetto di
interazione a distanza, già incontrato con la legge di gravitazione universale e di arrivare al suo superamento
mediante l’introduzione di interazioni mediate dal campo elettrico, del quale si darà anche una descrizione
in termini di energia e potenziale e dal campo magnetico.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
-1-
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
Obiettivi dell’insegnamento della fisica, perseguiti in modo graduale coerentemente con lo sviluppo
cognitivo degli studenti, saranno quindi:
osservare un fenomeno, descriverlo e formulare ipotesi esplicative;
individuare con precisione, a livello teorico e nell'esecuzione di laboratorio, le variabili, gli elementi
che devono restare costanti e quelli che sono trascurabili in un esperimento;
rendersi conto che una legge fisica è verificabile in laboratorio solo nei limiti dell'incertezza della
misura;
servirsi di strumenti matematici già studiati per indagare i fenomeni (proporzioni, similitudini tra
figure equazioni di primo grado, sistemi lineari in due incognite, traslazioni d'assi e cambiamento di
scala, potenze, notazione esponenziale);
acquisire un quadro organico della teoria di base, riguardante un ampio campo di fenomeni, fino a
costituire un'immagine consistente della disciplina nel suo complesso;
acquisire padronanza nei metodi di soluzione di problemi quantitativi elementari, allo scopo di
recepire con chiarezza le idee e i concetti teorici;
valutare le potenzialità e i limiti di un modello;
cogliere l'interazione reciproca tra il progresso scientifico e l'evoluzione della società, considerata nei
suoi aspetti tecnologico e ambientale.
LINEE METODOLOGICHE DI INSEGNAMENTO
A caratterizzare l'insegnamento della fisica saranno:
una trattazione organica/sistematica dei vari capitoli della fisica, con formalizzazione matematica e
approfondimenti teorici;
la discussione "critica" di alcuni concetti fondamentali e l'attenzione particolare al rigore delle diverse
teorie e impostazioni;
esperimenti dimostrativi e altri quantitativi, sia presentati dalla cattedra, sia svolti in prima persona
dagli studenti, secondo le possibilità offerte dal laboratorio, con relativa rilevazione dei dati, analisi
degli stessi e rapporto a modelli teorico – matematici; questo perché il laboratorio costituisce un
momento significativo nell'insegnamento della fisica, sia in riferimento al rapporto con il mondo
fenomenico, sia rispetto al ruolo che ha nel processo di indagine/controllo/riformulazione di ipotesi,
sia per la rilevanza nella formazione degli allievi (sviluppo di abilità logiche e pratiche);
la risoluzione di problemi di media difficoltà (che comportino l'applicazione di leggi in modo
consapevole, non la sola sostituzione di valori numerici in formula) e/o di test a risposta aperta o a
scelta multipla.
l’acquisizione della consapevolezza che la scienza, anche la fisica, non si presenta come un insieme
statico di teorie, modelli e leggi, ma come un quadro di riferimento in continua evoluzione e che la
formazione e la trasformazione delle idee e dei metodi della scienza tecnologica sono inserite in un
processo complesso e articolato, in cui gli scambi non sono unidirezionali.
la discussione "critica" del procedere scientifico, perché gli studenti possano accostarsi con
sufficiente disinvoltura anche agli sviluppi tecnici e formali delle teorie stesse. Inoltre la discussione
storica non va disgiunta da un adeguato livello di approfondimento formale.
Le diverse fasi del lavoro in classe possono essere così sintetizzate:
presentazione di una situazione problematica mediante un'esperienza in laboratorio e/o l'indagine storica
e/o l'analisi teorica;
sistemazione formale utilizzando gli strumenti matematici acquisiti;
verifica delle leggi in laboratorio;
problemi di rafforzamento.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
CRITERI E MODALITÀ DI VALUTAZIONE
Il lavoro svolto sarà valutato attraverso:
*
*
*
verifiche scritte;
verifiche orali e/o verifiche scritte per l’orale;
controllo del lavoro individuale e/o di gruppo.
In particolare per la valutazione si farà riferimento al numero di prove deliberato dal collegio docenti e sarà
considerata anche la capacità dello studente di partecipare in modo costruttivo e razionale al lavoro di
classe.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
CONTENUTI DISCIPLINARI CLASSE TERZA
MODULO 1 – Cinematica
Prerequisiti
Il piano cartesiano
Relazioni e funzioni
Il calcolo e la notazione scientifica
Moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato
Abilità
A. Individuare le caratteristiche dei vettori velocità ed accelerazione nel moto
circolare uniforme
B. Descrivere il moto parabolico come composizione di moti rettilinei indipendenti
Articolazione del modulo in unità
didattiche
U.D.1
Il moto in due e tre dimensioni
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
Composizione di moti
Moto parabolico
Moto circolare uniforme
MODULO 2 - Dinamica
Prerequisiti
Modulo 1
Principi della dinamica
Comporre e scomporre le forze in direzioni prefissate
Rappresentare il diagramma del corpo libero
Individuare le caratteristiche principali delle seguenti forze: peso, attrito, forza
elastica e reazione vincolare
Abilità
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
Comporre spostamenti e velocità
Operare con le trasformazioni di Galileo
Individuare le grandezze invarianti secondo le trasformazioni di Galileo
Riconoscere un sistema di riferimento inerziale e non inerziale
Enunciare il principio di relatività galileiana
Distinguere tra massa inerziale e gravitazionale
Applicare i principi della dinamica nella risoluzione di problemi
Articolazione del modulo in unità Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Moto relativo
Il moto relativo
Le trasformazioni di Galileo: composizione di spostamenti e velocità.
U.D.2
Applicazioni dei principi della
dinamica
Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali
Principio di relatività galileiana
Massa inerziale e gravitazionale
Reazioni vincolari e forze di attrito
Forza elastica. Forza centripeta.
Laboratorio: leggi della dinamica
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
MODULO 3 - Energia cinetica e lavoro - Conservazione dell’energia meccanica
Modulo 1 e 2
Prodotto scalare di vettori
A. Calcolare il lavoro per una forza costante
B. Calcolare la variazione dell’energia cinetica
C. Distinguere una forza conservativa da una dissipativa
Abilità
D. Calcolare la variazione di energia potenziale e l’energia cinetica
E. Applicare il principio di conservazione dell’energia meccanica
F. Calcolare la variazione di energia meccanica in presenza di forze dissipative.
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Lavoro di una forza costante
Lavoro ed energia cinetica
Lavoro di una forza variabile
Rappresentazione grafica del lavoro
Energia cinetica e teorema dell'energia cinetica
Potenza
U.D.2
Forze conservative.
Conservazione dell’energia
Energia potenziale gravitazionale ed elastica.
Principio di conservazione dell’energia meccanica.
Forze dissipative .
Prerequisiti
MODULO 4 - Sistemi di particelle. Equilibrio e rotazione
Prerequisiti
Moduli 1, 2 e 3
A. Determinare il centro di massa di un sistema
B. Applicare la seconda legge della dinamica ad un sistema di particelle
C. Calcolare la quantità di moto di un sistema
D. Applicare il principio di conservazione della quantità di moto
E. Distinguere tra urti elastici e anelastici, frontali e obliqui
F. Definire le relazioni tra grandezze cinematiche lineari e angolari
Abilità
G. Calcolare il momento di una forza
H. Calcolare il momento di una coppia di forze
I. Calcolare il momento d’inerzia di un sistema
J. Applicare le leggi della dinamica rotazionale
K. Calcolare il momento angolare di un sistema
L. Applicare il principio di conservazione del momento angolare
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1 Sistemi di particelle.
Centro di massa di un sistema di particelle.
Conservazione della quantità di
Seconda legge della dinamica riferita al centro di massa.
moto.
Quantità di moto di una particella e di un sistema di particelle. Impulso.
Seconda legge della dinamica in funzione della quantità di moto.
Legge di conservazione della quantità di moto.
Urti elastici e anelastici.
Laboratorio: conservazione della quantità di moto
U.D.2
Velocità e accelerazione angolari; leggi del moto rotatorio.
Cinematica rotazionale
Moto rototraslatorio.
U.D.3
Momento d'inerzia.
Dinamica rotazionale
Momento di una forza e di una coppia di forze
Leggi della dinamica rotatoria.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
U.D.4
Leggi di conservazione. Statica del
corpo rigido
Dipartimento di Matematica-Fisica
Energia cinetica di rotazione, momento angolare e sua conservazione.
Condizioni di equilibrio di un corpo rigido.
Laboratorio: conservazione del momento angolare
MODULO 5 - Gravitazione universale
A. Descrivere le teorie cosmologiche tolemaica e copernicana
B. Enunciare le leggi di Keplero e la legge di gravitazione universale
C. Applicare le leggi di Keplero e la legge di gravitazione universale nella
risoluzione di semplici problemi
D. Dedurre le leggi di Keplero dalle leggi della dinamica
E. Descrivere l’esperimento di Cavendish
Abilità
F. Distinguere tra massa inerziale e gravitazionale
G. Fornire la definizione di campo
H. Rappresentare il campo gravitazionale
I. Calcolare l’energia potenziale gravitazionale
J. Descrivere il moto di un satellite artificiale
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Moto dei pianeti: teorie tolemaica e copernicana.
Leggi di Keplero e di Newton
Leggi di Keplero e legge della gravitazione universale.
Esperimento di Cavendish.
U.D.2
Massa inerziale e massa gravitazionale.
Campo gravitazionale
Concetto di campo e sua rappresentazione.
Campo gravitazionale ed energia potenziale gravitazionale. I satelliti:
orbite ed energie.
MODULO 6 - Dinamica dei fluidi
La legge di Stevino
La legge di Pascal
La legge di Archimede
A. Descrivere il moto di un fluido ideale
B. Applicare l’equazione di continuità
Abilità
C. Dimostrare l’equazione di Bernoulli
D. Applicare la legge di conservazione dell’energia meccanica al moto di un fluido
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Corrente di un fluido, portata di un liquido in un condotto ed equazione
Dinamica dei fluidi
di continuità.
Equazione di Bernoulli.
Prerequisiti
Laboratorio: esperienze di dinamica dei fluidi.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
MODULO 7 - Termodinamica
Solidi, liquidi, gas
Cambiamenti di stato
Temperatura e calore
Scale termiche
Prerequisiti
Dilatazione lineare e volumica
Equazione della calorimetria e calore specifico
Propagazione del calore
A. Definire la temperatura
B. Definire un gas perfetto
C. Enunciare le leggi e l’equazione di stato dei gas perfetti
D. Applicare le leggi e l’equazione di stato dei gas perfetti nella risoluzione di
semplici problemi
E. Interpretare la temperatura da un punto di vista molecolare
F. Ricavare la relazione tra energia cinetica molecolare e temperatura
G. Descrivere la distribuzione di Maxwell delle velocità molecolari
H. Definire il calore specifico, la capacità termica e il calore
I. Risolvere problemi di calorimetria
J. Descrivere le modalità di propagazione del calore
K. Definire un sistema termodinamico
L. Descrivere una trasformazione termodinamica e rappresentarla graficamente
M. Descrivere l’esperimento di Joule
Abilità
N. Enunciare il principio di equivalenza
O. Calcolare il lavoro in una trasformazione termodinamica e darne una
interpretazione grafica
P. Definire l’energia interna di un sistema
Q. Enunciare il primo principio
R. Applicare il primo principio nella risoluzione di problemi
S. Enunciare il teorema di equipartizione dell'energia
T. Descrivere una macchina termica
U. Calcolare il rendimento di una macchina termica
V. Distinguere le trasformazioni reversibili da quelle irreversibili
W. Definire la variazione di entropia
X. Enunciare il secondo principio in termini di entropia
Y. Descrivere il legame tra entropia e disordine
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Teoria cinetica molecolare.
Teoria cinetica molecolare
Leggi dei gas ed equazione di stato dei gas perfetti.
Moto molecolare; modello molecolare del gas perfetto.
Interpretazione molecolare della temperatura.
Distribuzione di Maxwell delle velocità.
U.D.2
Calore
U.D.3
Primo principio
Anno scolastico 2015-16
Calore come energia in transito.
Unità di misura del calore.
Capacità termica e calore specifico.
Il calorimetro.
Trasmissione del calore: conduzione, convezione, irraggiamento.
Sistemi termodinamici, equilibrio termodinamico.
Trasformazioni termodinamiche, reali e quasistatiche.
Trasformazioni reversibili ed irreversibili.
Principio di equivalenza, esperimento di Joule.
Fisica classe 5a
-7-
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
U.D.4
Secondo principio
U.D.5
Entropia
Dipartimento di Matematica-Fisica
Lavoro nelle trasformazioni termodinamiche.
Primo principio della termodinamica.
Energia interna di un gas perfetto.
Calori specifici molari di un gas perfetto.
Teorema di equipartizione dell'energia.
Macchine termiche. Discussione sul rapporto tra sviluppo della scienza e
rivoluzione industriale.
Enunciato di Kelvin-Planck del secondo principio della termodinamica;
enunciato di Clausius, macchine frigorifere.
Equivalenza dei due enunciati.
Teorema di Carnot. Ciclo di Carnot e rendimento della macchina termica
ideale.
Motore dell’automobile. Frigorifero.
Laboratorio: la macchina di Savery; l’esperimento di Joule.
Definizione di entropia. Entropia nei processi reversibili ed irreversibili,
in un sistema isolato e in un sistema non isolato.
Entropia dell'universo.
Il secondo principio dal punto di vista molecolare.
Stati macroscopici e stati microscopici. Entropia e disordine.
L’equazione di Boltzmann.
Il modulo di Termodinamica potrà essere svolto tra la classe terza e la classe quarta.
LICEO DELLE SCIENZE APPLICATE CLASSE TERZA
Vengono di seguito indicati alcuni argomenti specifici per questo indirizzo da sviluppare, compatibilmente
con il tempo a disposizione:
Eliocentrismo e geocentrismo nella scienza da Tolomeo a Newton attraverso i contributi di
Copernico, Tycho Brahe, Keplero, Galileo: analisi delle conseguenze fisiche delle teorie
cosmologiche sulla struttura dell’universo, giustificazioni scientifiche delle orbite dei pianeti.
Il ruolo del telescopio di Galileo nelle scoperte astronomiche, con brevi cenni alla storia del
telescopio che Galileo ha potuto utilizzare ( lenti fiamminghe, mecenati sapientemente
convinti), personalità di Galileo scienziato nella storia della scienza e nel contesto dell’Italia
del XVI secolo. L’influsso del papato nello sviluppo della scienza in Italia nei secoli ( visione e
analisi di “ ITIS Galileo” di Paolini)
La legge di gravitazione universale di Newton: contesto storico, elaborazione scientifica,
conseguenze in ambito fisico ( peso, GFU)
QUESTO ARGOMENTO VUOLE ESSERE UN PONTE VERSO LE CONOSCENZE DI ITALIANO E
FILOSOFIA RELATIVE ALLA RIVOLUZIONE ATRONOMICA E SCIENTIFICA
LICEO DELLE SCIENZE APPLICATE CLASSE TERZA / QUARTA
(coerentemente con i tempi di sviluppo del modulo di Termodinamica)
dal macroscopico al microscopico:
teoria cinetica dei gas, parametri macroscopici di un sistema e grandezze microscopiche di un
sistema di particelle: l'impatto sulla comunità scientifica delle teorie molecolari di Boltzmann
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
-8-
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
CONTENUTI DISCIPLINARI PER LA CLASSE QUARTA
MODULO 1 – Onde
A.
B.
C.
Definire un moto armonico
Determinare la relazione tra moto armonico e moto circolare uniforme
Ricavare le equazioni di posizione, velocità, accelerazione in funzione del tempo
per un moto armonico
D. Calcolare l’energia di un oscillatore armonico
E. Definire un’onda
F. Distinguere tra onde trasversali ed onde longitudinali
G. Determinare le grandezze caratteristiche di un’onda
H. Scrivere l’equazione di un’onda armonica.
I.
Rappresentare il grafico di un’onda armonica
J.
Determinare i punti d’interferenza costruttiva e di interferenza distruttiva
K. Analizzare un’onda sonora determinandone i caratteri distintivi
L. Definire un’onda stazionaria e calcolarne la frequenza
Abilità
M. Definire un’onda stazionaria e calcolarne la frequenza
N. Definire i battimenti e calcolarne la frequenza
O. Descrivere l’effetto Doppler e calcolare le frequenze nei vari casi
P. Enunciare le leggi della riflessione e della rifrazione
Q. Spiegare il fenomeno della riflessione totale
R. Spiegare il fenomeno della dispersione
S. Costruire immagini medianti e specchi e lenti
T. Descrivere la natura corpuscolare e ondulatoria della luce
U. Enunciare il principio di Huygens
V. Descrivere e interpretare l’esperimento di Young
W. Descrivere e interpretare l’esperimento di diffrazione da una fenditura
X. Spiegare l’interferenza per lamine sottili
Articolazione del modulo in unità
Conoscenze
didattiche
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Moto armonico. Oscillatore armonico.
Moto armonico
Relazione tra moto armonico e moto circolare uniforme.
Equazioni di posizione, velocità, accelerazione del moto armonico.
Energia di un oscillatore armonico.
U.D.2
Oscillazioni e onde
U.D.3
Il suono
Onde impulsive. Onde in una corda, in una molla, onde sonore, onde
sulla superficie di un liquido.
Onde trasversali e longitudinali. Grandezze caratteristiche di un'onda.
Equazione di un'onda e grafici di un'onda armonica.
Principio di sovrapposizione, interferenza.
Laboratorio: esperienze con l’ondoscopio.
Onde sonore, caratteri distintivi del suono.
Intensità e livello sonoro.
Onde stazionarie. Battimenti. Effetto Doppler.
Laboratorio: esperienze sul suono.
U.D.4
La luce
Anno scolastico 2015-16
Propagazione rettilinea della luce.
Riflessione, rifrazione, riflessione totale, dispersione.
Fisica classe 5a
-9-
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
U.D.5
Ottica fisica
Dipartimento di Matematica-Fisica
Teoria ondulatoria della luce. Principio di Huygens.
Interferenza della luce: esperimento di Young.
Interferenza per lamine sottili.
Diffrazione della luce.
MODULO 2 - La carica elettrica e il campo elettrico
Abilità
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
H.
I.
Descrivere i fenomeni di elettrizzazione
Riconoscere le caratteristiche distintive dei corpi conduttori e dei corpi isolanti
Descrivere le caratteristiche di una carica elettrica
Applicare la legge di Coulomb
Descrivere il fenomeno di induzione elettrostatica
Rappresentare il campo elettrico di una distribuzione di cariche
Dalla rappresentazione di un campo dedurre la natura delle sorgenti del campo
Applicare la legge di Gauss per calcolare il campo elettrico di distribuzioni di cariche
Applicare il teorema di Coulomb
Articolazione del modulo in unità
didattiche
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
U.D.1
L'elettrizzazione e l’interazione tra corpi carichi.
Carica elettrica e legge di Coulomb I conduttori e gli isolanti.
La carica elettrica.
Quantizzazione della carica e principio di conservazione della carica
elettrica.
La legge di Coulomb.
L'induzione elettrostatica.
Laboratorio: esperienze con corpi elettrizzati
U.D.2
Il campo elettrostatico
Il concetto di campo e sua definizione.
Il campo elettrico.
Il principio di sovrapposizione.
Le linee di campo.
Il campo elettrico generato da distribuzioni di cariche.
La polarizzazione degli isolanti.
Il flusso di un campo vettoriale attraverso una superficie: il flusso del
campo elettrico.
Il teorema di Gauss per il campo elettrico.
Il teorema di Coulomb.
Laboratorio: visualizzazione delle linee di campi elettrici
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
- 10 -
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
MODULO 3 - Potenziale e capacità. Corrente e circuiti
A.
B.
C.
D.
Abilità
E.
F.
G.
H.
I.
J.
K.
L.
M.
N.
O.
Calcolare il potenziale e l'energia potenziale di una distribuzione di cariche
Rappresentare le superfici equipotenziali di una distribuzione di cariche
Riconoscere la conservatività di un campo mediante la circuitazione
Descrivere la distribuzione delle cariche, il campo elettrico e il potenziale di un
conduttore in equilibrio elettrostatico
Calcolare la capacità e il campo elettrico di un condensatore
Calcolare la capacità equivalente di un sistema di condensatori
Calcolare l'energia immagazzinata in un condensatore
Riconoscere le caratteristiche elettriche dei conduttori
Descrivere i generatori di tensione
Applicare le leggi di Ohm
Calcolare la corrente che circola in un circuito elementare ed in un circuito a più
maglie applicando le leggi di Kirchhoff
Determinare la resistenza equivalente di un sistema di resistori
Calcolare il calore dissipato in un resistore per effetto Joule
Determinare la forza elettromotrice di un generatore
Descrivere il processo di carica e scarica di un condensatore
Articolazione del modulo in
unità didattiche
U.D.1
Il potenziale elettrico
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
Energia potenziale elettrica. Il potenziale elettrico.
Lavoro e differenza di potenziale.
Il potenziale di una distribuzione di cariche.
Superfici equipotenziali.
Campo elettrico e potenziale.
La circuitazione di un campo vettoriale. Circuitazione e campi
conservativi: proprietà del campo elettrostatico.
U.D.2
Capacità elettrica
Conduttori in equilibrio elettrostatico.
Il condensatore: capacità di un condensatore, campo elettrico di un
condensatore anche in presenza di un dielettrico.
Capacità di un conduttore piano.
Condensatori in serie e in parallelo.
L'energia immagazzinata in un condensatore.
U.D.3
La corrente elettrica continua
La corrente elettrica nei conduttori metallici.
I generatori di tensione.
Le leggi di Ohm e loro interpretazione microscopica.
La dipendenza della resistività dalla temperatura.
Le leggi di Kirchhoff.
I conduttori ohmici in serie e in parallelo.
La trasformazione dell'energia elettrica ed effetto Joule.
La forza elettromotrice e la resistenza interna di un generatore di tensione.
Laboratorio: verifica della prima e della seconda legge di Ohm.
Laboratorio: conduttori in serie e in parallelo
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
- 11 -
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
MODULO 4 – La corrente elettrica nei liquidi e nei gas
Abilità
A.
B.
C.
D.
E.
Definire le sostanze elettrolitiche.
Indicare le variabili significative nel processo della dissociazione elettrolitica.
Formulare le due leggi di Faraday per l’elettrolisi.
Descrivere le celle a combustibile
Valutare l’utilità e l’impiego di pile e accumulatori.
F. Discutere il fenomeno dell’emissione luminosa.
Articolazione del modulo in
unità didattiche
U.D.1
Le soluzioni elettrolitiche
U.D.2
La conducibilità nei gas
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
Dissociazione elettrolitica.
Elettrolisi.
Leggi di Faraday per l’elettrolisi.
Pile e accumulatori.
Le scariche elettriche nei gas.
Il fulmine.
I raggi catodici.
MODULO 5 - Fenomeni magnetici fondamentali
Abilità
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
H.
I.
Definire i poli magnetici.
Esporre il concetto di campo magnetico.
Definire il campo magnetico terrestre.
Analizzare le forze di interazione tra poli magnetici.
Mettere a confronto campo elettrico e campo magnetico.
Analizzare il campo magnetico prodotto da un filo percorso da corrente.
Descrivere l’esperienza di Faraday.
Formulare la legge di Ampère.
Rappresentare matematicamente la forza magnetica su un filo percorso da
corrente.
J. Distinguere le sostanze ferro, para e dia magnetiche corrente.
Articolazione del modulo in
unità didattiche
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
U.D.1
Forze tra poli magnetici.
Fenomeni magnetici fondamentali Il campo magnetico.
Il campo magnetico terrestre.
Le linee di campo.
Confronto tra campo magnetico e campo elettrico.
Il campo magnetico generato da un filo percorso da corrente.
L’esperienza di Faraday.
La definizione dell’Ampère e del Coulomb.
La forza magnetica su un fili percorso da corrente.
Il campo magnetico di un filo percorso da corrente.
Il campo magnetico di una spira e di un solenoide.
Il motore elettrico.
L’Amperometro e il Volmetro.
Anno scolastico 2015-16
Fisica classe 5a
- 12 -
Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
MODULO 6 - Il campo magnetico
Abilità
A. Descrivere la forza di Lorentz
B. Calcolare il raggio e il periodo del moto circolare di una carica che si muove
perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme
C. Interpretare l’effetto Hall
D. Esporre e dimostrare il teorema di Gauss per il magnetismo
E. Esporre il teorema di Ampère e indicarne le implicazioni (il campo magnetico non
è conservativo)
F. Analizzare il ciclo di isteresi magnetica
G. Definire la magnetizzazione permanente
Articolazione del modulo in
unità didattiche
U.D.1
Il campo magnetico
Anno scolastico 2015-16
Conoscenze
Contenuti unità didattiche
La forza di Lorentz.
Forza elettrica e magnetica.
L’effetto Hall.
Il moto di una carica in un campo magnetico uniforme.
Il flusso del campo magnetico.
La circuitazione del campo magnetico.
Il teorema di Ampère e sue applicazioni.
Le proprietà magnetiche dei materiali.
Il ciclo di isteresi magnetica.
Fisica classe 5a
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
PROGRAMMAZIONE DI FISICA PER LA CLASSE QUINTA
Secondo le indicazioni del nuovo Liceo Scientifico
LINEE GENERALI E COMPETENZE
Al termine del percorso liceale lo studente avrà appreso i concetti generali della fisica, le leggi e le teorie
che li esplicitano, acquisendo consapevolezza del valore conoscitivo della disciplina e del nesso tra lo
sviluppo della conoscenza fisica ed il contesto storico e filosofico in cui essa si è sviluppata.
In particolare lo studente avrà acquisito le seguenti competenze: osservare e identificare fenomeni;
formulare ipotesi esplicative utilizzando modelli, analogie e leggi; formalizzare un problema di fisica e
applicare gli strumenti matematici e disciplinari rilevanti per la sua risoluzione; fare esperienza e rendere
ragione del significato dei vari aspetti del metodo sperimentale, dove l’esperimento è inteso come
interrogazione ragionata dei fenomeni naturali, scelta delle variabili significative, raccolta e analisi critica
dei dati e dell’affidabilità di un processo di misura, costruzione e/o validazione di modelli; comprendere e
valutare le scelte scientifiche e tecnologiche che interessano la società in cui vive.
OBIETTIVI SPECIFICI DI APPRENDIMENTO
Lo studente completerà lo studio dell’elettromagnetismo con l’induzione magnetica e le sue applicazioni,
per giungere, privilegiando gli aspetti concettuali, alla sintesi costituita dalle equazioni di Maxwell;
affronterà anche lo studio delle onde elettromagnetiche, della loro produzione e propagazione, dei loro
effetti e delle loro applicazioni nelle varie bande di frequenza.
Il percorso didattico, compatibilmente con i tempi di apprendimento della classe, comprenderà le
conoscenze sviluppate nel XX secolo relative al microcosmo e al macrocosmo, accostando problematiche
che storicamente hanno portato ai nuovi concetti di spazio e tempo, massa ed energia.
Si presterà attenzione ad utilizzare un formalismo matematico accessibile agli studenti, ponendo sempre in
evidenza i concetti fondanti.
Lo studio della teoria della relatività ristretta di Einstein porterà lo studente a confrontarsi con la
simultaneità degli eventi, la dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze; l’aver affrontato
l’equivalenza massa-energia gli permetterà di sviluppare un’interpretazione energetica dei fenomeni nucleari
(radioattività, fissione, fusione).
L’affermarsi del quanto di luce potrà essere introdotto attraverso lo studio della radiazione termica e
dell’ipotesi di Planck (affrontati anche solo in modo qualitativo) e sarà sviluppato da un lato con lo studio
dell’effetto fotoelettrico e della sua interpretazione da parte di Einstein e, dall’altro lato, con la discussione
delle teorie e dei risultati sperimentali che evidenziano la presenza di livelli energetici discreti nell’atomo.
L’evidenza sperimentale della natura ondulatoria della materia, postulata da De Broglie ed il principio di
indeterminazione potrebbero concludere il percorso in modo significativo.
La dimensione sperimentale potrà essere ulteriormente approfondita con attività da svolgersi non solo nel
laboratorio didattico della scuola, ma anche presso laboratori di Università ed enti di ricerca, aderendo
anche a progetti di orientamento.
Lo studente dovrà quindi:
acquisire un quadro organico della teoria di base, riguardante un ampio campo di fenomeni, fino a
costituire un'immagine consistente della disciplina nel suo complesso;
acquisire padronanza nei metodi di soluzione di problemi quantitativi elementari, allo scopo di
recepire con chiarezza le idee e i concetti teorici;
valutare le potenzialità e i limiti di un modello;
cogliere l'interazione reciproca tra il progresso scientifico e l'evoluzione della società, considerata nei
suoi aspetti tecnologico e ambientale.
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Liceo Scientifico “L. Mascheroni”
Dipartimento di Matematica-Fisica
LINEE METODOLOGICHE DI INSEGNAMENTO
A caratterizzare l'insegnamento della fisica saranno:
una trattazione organica/sistematica dei vari capitoli della fisica, con formalizzazione matematica e
approfondimenti teorici;
la discussione "critica" di alcuni concetti fondamentali e l'attenzione particolare al rigore delle diverse
teorie e impostazioni;
esperimenti dimostrativi e altri quantitativi secondo le possibilità offerte dal laboratorio, con relativa
rilevazione dei dati, analisi degli stessi e rapporto a modelli teorico - matematici;
la risoluzione di problemi di varia difficoltà (che comportino l'applicazione di leggi in modo
consapevole, non la sola sostituzione di valori numerici in formula) e/o di test a risposta aperta o a
scelta multipla.
Le diverse fasi del lavoro in classe possono essere così sintetizzate:
presentazione di una situazione problematica mediante un'esperienza in laboratorio e/o l'indagine storica
e/o l'analisi teorica;
sistemazione formale utilizzando gli strumenti matematici acquisiti;
verifica delle leggi in laboratorio;
problemi di rafforzamento.
CRITERI E MODALITÀ DI VALUTAZIONE
Il lavoro svolto sarà valutato attraverso:
*
verifiche scritte;
*
verifiche orali e/o verifiche scritte per l’orale;
*
controllo del lavoro individuale e/o di gruppo.
In particolare per la valutazione si farà riferimento al numero di prove deliberato dal collegio docenti e sarà
considerata anche la capacità dello studente di partecipare in modo costruttivo, razionale e problematico al
lavoro di classe.
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Fisica classe 5a
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A. Elettromagnetismo
UNITA' DIDATTICA
Induzione
elettromagnetica
CONTENUTI
MINIMI
ABILITA'
IRRINUNCIABILI
PREREQUISITI
• Il concetto generale di
campo.
• Il campo elettrico.
• Il campo elettrostatico
• Il campo gravitazionale
• I campi conservativi
• Il campo magnetico e
relative proprietà.
• La forza di Lorentz.
• Calcolo del flusso di un
campo vettoriale
• Campo magnetico di una
spira e di un solenoide
• Densità di energia del
campo elettrostatico
• Campo elettrico all'interno
di un condensatore
• Onde oscillazioni
• Propagazione delle onde
•
Energia
e
impulso
trasportato da un'onda
Equazioni di Maxwell e • Interferenza, diffrazione,
rifrazione
Onde
• La risonanza
Elettromagnetiche
• Leggi del flusso e della
cirçuitazione per il campo
elettrico
e
magnetico
stazionari nel vuoto
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• Forza elettromotrice indotta
• Legge di Faraday
• Legge di Neumann
• Legge di Lenz
• Autoinduzione, coefficienti
di autoinduzione, l'induttanza
• Densità di energia del campo
magnetico
• Descrivere esperimenti che mostrino il
fenomeno dell'induzione elettromagnetica
• Discutere l'equazione della legge di
Faraday
• Discutere la legge di Lenz
• Discutere la legge di Neumann-Lenz
• Descrivere le relazioni tra Forza di
Lorentz e forza elettromotrice indotta
• Calcolare il flusso di un campo
magnetico
• Calcolare le variazioni di flusso di campo
magnetico
• Calcolare correnti indotte e forze
elettromotrici indotte
• Derivare l'induttanza di un solenoide
• Risolvere problemi di applicazione delle
formule studiate inclusi quelli che
richiedono il calcolo delle forze su
conduttori in moto in un campo magnetico
• Relazione tra campi elettrici • Illustrare le equazioni di Maxwell nel
e magnetici variabili.
vuoto espresse in termini di flusso e
• Il termine mancante: La circuitazione
corrente di spostamento.
• Argomentare sul problema della corrente
•
Sintesi di spostamento
dell'elettromagnetismo:
le • Descrivere le caratteristiche del campo
equazioni di Maxwell
elettrico e magnetico di un'onda
• Onde elettromagnetiche
elettromagnetica e la relazione reciproca
• Lo spettro elettromagnetico
• Conoscere e applicare il concetto di
•
Intensità
di
un'onda intensità di un'onda elettromagnetica
elettromagnetica
• Collegare la velocità dell'onda con l'indice
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COMPETENZE
• Essere in grado di
riconoscere il fenomeno
dell'induzione
in
situazioni sperimentali
• Essere in grado di
collegare le equazioni di
Maxwell ai fenomeni
fondamentali
dell'
elettricità
e
del
magnetismo e viceversa
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Dipartimento di Matematica-Fisica
di rifrazione
• Descrivere lo spettro continuo ordinato in
frequenza ed in lunghezza d'onda
• Illustrare gli effetti e le applicazioni delle
onde EM in funzione di lunghezza d'onda e
frequenza
B. Relatività
PREREQUISITI
• Relatività galileiana
• Sistemi inerziali
• Trasformazioni di coordinate
• Invarianti
• Legge non relativistica
addizione delle velocità
CONTENUTI MINIMI IRRINUNCIABILI
• Dalla relatività galileiana alla relatività ristretta
• l postulati della relatività ristretta
• Tempo assoluto e simultaneità degli eventi
•
Dilatazione dei tempi e contrazione delle
di lunghezze: evidenze sperimentali
• Trasformazioni di Lorentz e Legge di addizione
relativistica delle velocità; limite non relativistico:
addizione galileiana delle velocità
• lnvariante relativistico
• Legge di conservazione della quantità di moto
• Dinamica relativistica. Massa, energia
ABILITA'
COMPETENZE
• Saper applicare le relazioni sulla
dilatazione dei tempi e contrazione
delle lunghezze
• Saper risolvere semplici problemi
di
cinematica
e
dinamica
relativistica
• Saper risolvere semplici problemi
su urti e decadimenti di particelle
• Saper argomentare, usando
almeno uno degli esperimenti
classici, sulla validità della
teoria della relatività
• Saper riconoscere il ruolo
della relatività nelle applicazioni
tecnologiche
C. Fisica Quantistica
CONTENUTI
MINIMI
IRRINUNCIABILI
•
L'esperimento
di • L'emissione di corpo nero e l'ipotesi
Rutherford
e
modello di Planck
atomico
• L'esperimento di Lenard e la
• Spettri atomici
spiegazione di Einstein dell' effetto
• Interferenza e diffrazione fotoelettrico
PREREQUISITI
ABILITA'
COMPETENZE
• Illustrare il modello del corpo nero e interpretarne la curva di
emissione in base al modello di Planck
• Applicare le leggi di Stefan-Boltzmann e di Wien
• Applicare l'equazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico
per la risoluzione di esercizi
• Saper riconoscere il
ruolo
della
fisica
quantistica in situazioni
reali e in applicazioni
tecnologiche
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(onde, ottica)
• Scoperta dell'elettrone
• Urti classici
Dipartimento di Matematica-Fisica
• L'effetto Compton
• Modello dell'atomo di Bohr e
interpretazione degli spettri atomici
• L'esperimento di Franck - Hertz
• Lunghezza d'onda di De Broglie
• Dualismo onda-particella. Limiti di
validità della descrizione classica
•
Diffrazione/lnterferenza
degli
elettroni
• Il principio di indeterminazione
D. Argomenti e approfondimenti di Fisica avanzata: fisica nucleare
Bergamo, 15 ottobre 2015
• Illustrare e saper applicare la legge dell'effetto Compton
• Calcolare le frequenze emesse per transizione dai livelli
dell'atomo di Bohr
• Descrivere la condizione di quantizzazione dell'atomo di
Bohr usando la relazione di De Broglie
•
Calcolare
l'indeterminazione
quantistica
sulla
posizione/quantità di moto di una particella
• Calcolare la lunghezza d'onda di una particella
• Riconoscere i limiti della trattazione classica in semplici
problemi.
