Progetto per l`anticipazione della Fisica nella classe I E
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LICEO CLASSICO “F. SCADUTO” - BAGHERIA ASPETTANDO LA RIFORMA…. Anticipazione dello studio della Fisica al 3° anno (I Liceo)- una unità oraria settimanale Corso E Anno Scolastico 2003/2004 “L’emozione è la vera molla dell’impero scientifico” Prof.ssa Puleo Anna Maria Olimpia Anticipare lo studio della Fisica al 3° anno del Liceo Classico nasce da diverse esigenze: alcune di esse scaturiscono da osservazioni di tipo teorico ed organizzativo, altre scaturiscono dalle quotidiane osservazioni sul “campo”. Osservazioni preliminari Analizzando le indagini nazionali ed internazionali sull’apprendimento scientifico nelle scuole italiane e la drastica diminuzione delle iscrizioni alle facoltà scientifiche, appare chiaro che esistono degli ostacoli sia nella comprensione a livello concettuale, sia nell’immagine che l’impresa scientifica ha come dimensione culturale. La divisione che tuttora persiste tra le culture umanistica e scientifica, ha fatto sì che quest’ultima spesso sia identificata come una conoscenza puramente tecnica, un sapere “pratico”, utile solo a far funzionare le macchine. Nasce quindi l’esigenza di un insegnamento scientifico che riesca a coniugare l’acquisizione di concetti con la formazione di un modello entro il quale ci stanno le teorie che cercano di descrivere il mondo: un insegnamento scientifico che trasmetta la consapevolezza che la scienza è uno dei modi possibili di guardare il mondo. Se si vuole tentare di superare la visione passiva che della scienza ha la maggior parte degli allievi, bisogna far capire loro soprattutto che educazione scientifica significa sviluppo di diversi modi di guardare la realtà e di mettersi in relazione con essa. Motivazioni Data la vastità e la complessità dei contenuti di Fisica elencati nel programma ministeriale, non si può pensare di poterli svolgere tutti e nell’arco di due anni, come previsto attualmente nel quadro orario del Liceo Classico. È necessario, così, operare dei tagli che spesso però vedono penalizzati temi di fondamentale importanza per una preparazione di base soddisfacente; risulta molto difficile, infatti, effettuare delle scelte che prevedano tutti i “contenuti essenziali per una formazione di base” e che individuino con completezza i “nuclei concettuali fondanti” della disciplina. Nasce, quindi, l’esigenza di una riorganizzazione ampia e a largo respiro dell’insegnamento della Fisica; riorganizzazione vagliata nella riforma della scuola superiore, in cui è previsto lo studio della Fisica in un primo biennio, in un secondo biennio e in un ultimo anno di approfondimento per alcuni tipi di istituti (tra cui il Liceo Classico). Aspettando la riforma, può essere comunque utile ed opportuno anticipare di un anno, anche se per un numero esiguo di ore (un’ora settimanale), lo studio della Fisica: entrare prima in contatto con il suo statuto (oggetti, linguaggio, metodologia di ricerca) non può che favorire un processo di insegnamento-apprendimento più motivato, consapevole e responsabile. Considerato che nel processo educativo sotteso allo studio della Fisica, ha notevole importanza il ruolo che assume il modello matematico-scientifico, quel processo, cioè, di “matematizzazione” degli oggetti fisici e la conseguente costituzione di un “modello” che si sostituisce agli oggetti reali, può essere già un traguardo importante, alla fine del primo liceo, aver garantito agli studenti la consapevolezza che alla base della ricchezza dei fenomeni e della molteplicità delle applicazioni tecniche sta un piccolo numero di leggi fisiche fondamentali e, altrettanto importante e fondamentale per il loro percorso umano e culturale, il gusto della curiosità e dello studio. Finalità generali Lo studio della fisica nella scuola secondaria di secondo grado, attraverso l’acquisizione delle metodologie e delle conoscenze specifiche della disciplina, può: 1. Concorrere alla formazione culturale dell’allievo, arricchendone la preparazione complessiva con strumenti idonei a una comprensione critica del presente, attraverso lo sviluppo di capacità di analisi e di collegamento e delle facoltà di astrazione e di unificazione che la fisica richiede per indagare sul mondo naturale; 2. contribuire all’acquisizione di una mentalità flessibile, fondata su una preparazione che consenta il conseguimento di una professionalità di base polivalente; 3. far comprendere l’universalità delle leggi fisiche che, partendo dalla scala umana, si estenda dal microcosmo al macrocosmo nel tentativo di fornire una visione scientifica organica della realtà fisica; 4. far acquisire la consapevolezza che la possibilità di indagare l’universo è legata alle più moderne conoscenze, 5. far comprendere l’evoluzione storica dei modelli di interpretazione della realtà evidenziandone l’importanza, i limiti ed il progressivo affinamento; 6. contribuire, insieme alle altre discipline, ad una visione unitaria del divenire storico dell’umanità; 7. far comprendere l’universalità del linguaggio della fisica, che favorisce l’apertura, il dialogo e il rispetto reciproco tra individui e quindi tra popoli e culture; 8. contribuire alla consapevolezza che, in una società complessa permeata di scienza e tecnologia, una formazione scientifica è indispensabile per le scelte che ogni cittadino è chiamato a compiere nella vita democratica. Obiettivi specifici di apprendimento Gli argomenti saranno trattati per temi, che vengono ripresi ed approfonditi in anni successivi: lo statuto di una disciplina, infatti, non cambia con l’età degli allievi, ma cambia la distanza tra il soggetto che apprende e l’oggetto da apprendere. Possono essere individuati cinque nuclei concettuali, ognuno dei quali rappresenta uno o più concetti portanti della fisica, essi sono: 1. spazio e tempo: dove i fenomeni fisici studiati si caratterizzano per il fatto di mettere in particolare evidenza il loro sviluppo nello spazio e nel tempo; 2. materia ed energia: dove sono studiate le caratteristiche della materia, dal microcosmo al macrocosmo, l’energia nelle sue varie forme, il suo trasferimento da un corpo all’altro, fino all’equivalenza tra massa ed energia; 3. interazione: dove i fenomeni sono caratterizzati dalla presenza di corpi soggetti all’azione di forze a “contatto” o all’azione di campi di forze stazionari o variabili nel tempo; 4. stato e trasformazione: dove sono studiate le caratteristiche degli stati della materia e le trasformazioni da uno stato ad un altro; 5. invarianza: dove è studiata l’evoluzione dei fenomeni fisici utilizzando relazioni invarianti tra grandezze, come potenti strumenti di analisi. I Liceo: - - Nucleo concettuale: Spazio e tempo Conoscenze Grandezze fisiche fondamentali; unità di misura e regole previste nel S.I. Moto su una traiettoria rettilinea, a velocità costante e accelerazione costante; Moto su una traiettoria qualsiasi: velocità e accelerazione come vettori; Il moto relativo e la composizione delle velocità; Moti periodici e, in particolare, moto circolare uniforme Abilità Analizzare oggetti e fenomeni individuando le grandezze fisiche che li caratterizzano, riconoscendone le dimensioni ed il carattere scalare o vettoriale; Utilizzare le unità di misura previste dal Sistema Internazionale S.I., con i relativi multipli e sottomultipli, distinguendo tra grandezze fondamentali e derivate; Rappresentare graficamente il moto nei piani (s,t) e (v,t), utilizzando il sistema di riferimento più conveniente; Risolvere semplici problemi di cinematica, analiticamente (individuando il modello matematico più idoneo) e graficamente; Calcolare le grandezze fisiche che caratterizzano un moto circolare e rappresentare graficamente quelle vettoriali. Nucleo concettuale: Interazione Conoscenze Forza e sua unità di misura nel SI; Massa gravitazionale e forza peso; Momento di una forza e di una coppia di forze; L’equilibrio tra forze in condizioni statiche; baricentro; Forza come causa del moto: principi della dinamica; Forze di attrito; Sistema di riferimento inerziale e relatività galileiana; Sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti. Abilità Spiegare il funzionamento degli strumenti di misura utilizzati e tener conto della loro precisione e sensibilità; Calcolare gli errori assoluto e relativo nelle misure dirette; Sommare, sottrarre, comporre e scomporre le forze, come vettori applicati in un punto; Risolvere semplici problemi di dinamica riguardanti il moto nei sistemi inerziale e non inerziale. II Liceo - Nucleo concettuale: Materia ed energia Conoscenze Lavoro come modo per trasferire, trasformare e immagazzinare energia in presenza di forze; unità di misura nel SI; Potenza, come capacità di compiere un dato lavoro in un tempo definito; unità di misura nel SI; Energia cinetica, come modo di trasportare energia da un punto all’altro; Energia potenziale. Abilità Applicare i concetti di lavoro e di potenza nella risoluzione di semplici problemi; - - - - - - Applicare i concetti di energia cinetica e di energia potenziale, nella risoluzione di semplici problemi. Nucleo concettuale: Invarianza Conoscenze Quantità di moto e sua conservazione in un sistema isolato; Energia meccanica e sua conservazione in un sistema isolato; Indipendenza dei principi di conservazione dal sistema di riferimento Abilità Risolvere semplici problemi riguardanti i principi di conservazione della quantità di moto e dell’energia meccanica in un sistema isolato. Nucleo concettuale: Spazio e tempo Conoscenze Moto armonico semplice; Oscillazioni in meccanica; produzione e propagazione di onde elastiche; Interferenza di onde piane sinusoidali e onde stazionarie; Produzione, propagazione, ricezione e caratteristiche di un’onda acustica. Abilità Descrivere analiticamente e graficamente la propagazione di un’onda in meccanica, distinguendo tra onde longitudinali e trasversali; Classificare e ordinare i suoni in base alla loro diversa intensità e frequenza. Nucleo concettuale: stato e trasformazione Conoscenze Temperatura e sua misura; scale termometriche; Dilatazione termica dei corpi; Calore e sua misura; Capacità termica, calore specifico e relative unità di misura; Trasmissione del calore; Stati della materia e passaggi di stato. Abilità Esprimere il concetto di equilibrio termico e applicare il principio zero della termodinamica; Spiegare il concetto di calore, presentandolo con una breve esposizione storica; Risolvere semplici problemi di calorimetria. Nucleo concettuale: Interazione Conoscenze Pressione e sua unità di misura nel SI; Forze nei fluidi; Concetto di campo e, in particolare, di campo conservativo; Campi gravitazionale, elettrico, magnetico e grandezze fisiche che li caratterizzano, con le relative unità di misura previste dal sistema SI. Abilità Applicare il concetto di pressione nella risoluzione di semplici problemi riguardanti i fluidi; Rappresentare graficamente i campi gravitazionale ed elettrostatico e applicare le relazioni tra le grandezze fisiche che li caratterizzano alla risoluzione di semplici problemi. - Nucleo concettuale: Materia ed energia Conoscenze Forza elettromotrice e differenza di potenziale; Conduttori, isolanti e semiconduttori; Capacità elettrica; distribuzione della carica elettrica sulla superficie di un conduttore; Grandezze fisiche, con relative unità di misura, e leggi che caratterizzano i circuiti elettrici in corrente continua; Elementi attivi e passivi in un circuito elettrico. Abilità Applicare le leggi sui circuiti elettrici in corrente continua per la risoluzione di semplici problemi, con generatori e utilizzatori in serie e in parallelo; Risolvere semplici problemi riguardanti la capacità elettrica del condensatore piano, i collegamenti in serie ed in parallelo, il comportamento di un circuito RC in corrente continua. III Liceo - - - Nucleo concettuale: Materia ed energia Conoscenze Lavoro elettrico, potenza e rendimento di un utilizzatore; effetto Joule; Passaggio dell’elettricità nei liquidi e negli aeriformi; Potenziale d’estrazione: effetto Volta ed effetto termoionico. Abilità Applicare l’effetto Joule e i concetti di potenza elettrica e rendimento alla risoluzione di semplici problemi. Nucleo concettuale: Interazione Conoscenze Equivalenza tra ago magnetico e spira percorsa da corrente; Forza di attrazione tra due fili percorsi da corrente e conseguente definizione di ampère; Comportamento della materia nei campi elettrico e magnetico; isteresi magnetica; Legge di Faraday-Neumann e Lenz; Equazioni di Maxwell; Emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche; radiazione visibile; L’ottica come parte dell’elettromagnetismo; fenomeni ottici. Abilità Applicare le leggi di Biot e Savart e il teorema della circuitazione di Ampère per risolvere semplici problemi per il calcolo di B; Applicare la legge di Faraday-Neumann; Classificare le radiazioni elettromagnetiche e descriverne le caratteristiche in base alle diverse frequenze o lunghezze d’onda. Nucleo concettuale: Materia ed energia Conoscenze Leggi dell’irraggiamento; radiazione del corpo nero e ipotesi di Planck; Effetto fotoelettrico e interpretazione di Einstein con il concetto di fotone Dualismo onda corpuscolo e ipotesi di De Broglie - - - - - - Abilità Esporre la sequenza storica delle ipotesi che hanno portato alle attuali conoscenze sulla struttura della materia. Nucleo concettuale: spazio e tempo Conoscenze Evoluzione delle unità di misura di spazio e tempo nella storia; Postulati della relatività ristretta; Dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, relatività della simultaneità. Abilità Risolvere semplici problemi riguardanti i fenomeni della dilatazione del tempo e della contrazione delle lunghezze. Nucleo concettuale: invarianza Conoscenze Invarianza delle leggi della meccanica e non invarianza della teori elettromagnetica; Conservazione della massa e dell’energia Abilità Spiegare perché lo studio delle propagazione delle onde elettromagnetiche ha generato la contraddizione che ha portato alla teoria della relatività ristretta di Einstein. Nucleo concettuale: Stato e trasformazione Conoscenze Temperatura assoluta e sua unità di misura nel sistema SI; Leggi dei gas; gas perfetto e sua equazione di stato; Relazione tra energia cinetica delle molecole di un gas e la sua temperatura; Sistema termodinamico; trasformazioni reversibili ed irreversibili; Secondo principio della termodinamica e concetto di entropia; Ciclo di Carnot e macchine termiche. Abilità Utilizzare l’equazione di stato di un gas perfetto per la risoluzione di semplici problemi; Rappresentare graficamente le trasformazioni isoterma, isobara, isocora, adiabatica e applicarle nella risoluzione di semplici problemi. Nucleo concettuale: Invarianza Conoscenze Conservazione dell’energia in presenza di forze non conservative; primo principio della termodinamica e concetto di energia interna. Abilità Applicare il primo principio della termodinamica nella risoluzione di semplici problemi.
