fisica triennio - Liceo Mascheroni
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LICEO SCIENTIFICO STATALE “LORENZO MASCHERONI” 24124 BERGAMO (BG) Via A. Da ROSCIATE, 21/A -Tel. 035-237076 - Fax 035-234283 e-mail: [email protected] - sito internet: http://www.liceomascheroni.it Cod.Mecc.BGPS05000B Cod.Fisc.95010190163 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 -2- 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 -3- 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 -4- 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 -5- 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 -6- 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 - 13 - 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. Anno scolastico 2015-16 Fisica classe 5a - 14 - 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. Anno scolastico 2015-16 Fisica classe 5a - 15 - 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 Anno scolastico 2015-16 • 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 Fisica classe 5a - 16 - 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 Liceo Scientifico “L. Mascheroni” 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 Liceo Scientifico “L. Mascheroni” (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.
