Anno Scolastico 2015-2016 PROGRAMMAZIONE adottata dal Dipartimento Disciplinare di Matematica, Fisica e Informatica sulla base delle Indicazioni Nazionali per i Licei (D.P.R. n. 211 del 7 ottobre 2010) FISICA dei seguenti Indirizzi liceali: - Liceo Scientifico - Liceo Scientifico opzione Scienze Applicate I docenti della disciplina 1 PRIMO BIENNIO OBIETTIVI GENERALI L’insegnamento di fisica nel biennio del liceo scientifico e del liceo scientifico applicato, attraverso l’acquisizione delle metodologie e delle conoscenze proprie della disciplina, deve concorrere alla formazione della personalità dell’allievo, favorendo lo sviluppo di una cultura tale da consentire una comprensione critica e propositiva della realtà e costruire una solida base per la formazione di una personalità polivalente e flessibile. FINALITA' GENERALI Le finalità del corso fisica, in stretto raccordo con le altre discipline scientifiche, come indicato nei Piani di Studio: 1) l’attitudine a cogliere e ad apprezzare l’utilità del confronto di idee e dell’organizzazione del lavoro; 2) l’abitudine ad un lavoro organizzato come mezzo per ottenere risultati significativi; 3) l’atteggiamento critico nei confronti delle informazioni incontrollate e delle immagini della scienza che ci vengono presentate; 4) la capacità di analizzare un fenomeno complesso, scomponendolo in elementi più semplici, e la capacità di ricomporre gli elementi, sapendone vedere le interazioni; 5) la capacità progettuale di fronte ai problemi; 6) la capacità di osservare in modo sistematico, di raccogliere dati e di esaminarli criticamente; 7) la capacità operativa manuale utile non solo in laboratorio, ma anche nella vita quotidiana; 8) la consapevolezza della possibilità di descrivere in termini scientifici molti eventi osservabili anche al di fuori dei laboratori scolastici; 9) la comprensione dell’utilità di formulare una legge empirica oppure un’ipotesi e della necessità di valutarne il grado di attendibilità attraverso una verifica; 10) la comprensione del rapporto tra fatti empirici e loro interpretazione modellistica e dell’utilità operativa e dei limiti dei modelli interpretativi. FINALITÀ SPECIFICHE Alla fine del biennio gli studenti dovranno essere in grado di: 1) eseguire in modo corretto semplici misure con chiara consapevolezza delle operazioni effettuate, raccogliendo, ordinando e rappresentando graficamente i dati ricavati; 2) saper descrivere chiaramente, anche per mezzo di schemi, le apparecchiature e le procedure usate; 3) valutare gli ordini di grandezza e le approssimazioni dei dati sperimentali, mettendo in evidenza l'incertezza associata alle misure, confrontando anche i dati raccolti con quelli provenienti da altri gruppi di lavoro o da fonti esterne; 4) individuare relazioni tra due variabili misurate e valutare i limiti di validità delle corrispondenti leggi empiriche; 5) controllare più variabili e, in qualche caso semplice, comprendere il procedimento per stabilire relazioni tra esse; 6) acquisire una prima comprensione del modo di organizzarsi di una teoria scientifica con i due momenti di formulazione di ipotesi unificanti ed esplicative e di verifica delle loro conseguenze; 7) utilizzare semplici modelli esplicativi per la descrizione e l'interpretazione di fenomeni complessi, comprendendone l’utilità e i limiti; 8) arrivare, in qualche semplice caso, alla formulazione di ipotesi e di modelli fondati e verificabili. Trarre semplici deduzioni teoriche e confrontarle con i risultati sperimentali. 2 INDICAZIONI METODOLOGICHE Dal punto di vista didattico, nelle singole classi, il lavoro viene realizzato avendo sempre presente come principio di base il metodo della scoperta e della ricerca autonoma, guidata ma non imposta dall'insegnante, portando quindi gli studenti ad acquisire un corretto metodo di indagine atto a sviluppare creatività, spirito d'osservazione e atteggiamento critico di fronte a qualsiasi problema. In pratica il lavoro viene articolato secondo i seguenti punti: 1) osservazione; 2) formulazione di ipotesi; 3) proposta e progettazione di esperienze semplici, ma allo stesso tempo significative; 4) analisi dei dati sperimentali ottenuti e loro interpretazione nell'ambito e nei limiti delle ipotesi formulate; 5) costruzione di modelli; 6) controllo sperimentale della validità di un modello. In concreto, ha una forte incidenza il lavoro sperimentale eseguito, quando possibile, direttamente dagli allievi, nei laboratori di fisica e informatica. Con il lavoro di gruppo e mediante l'uso di strumenti che, dal punto di vista tecnico, sono il meno sofisticato possibile, si educano i ragazzi a riconoscere l'importanza dell'ordine e della serietà nel lavoro, e si fornisce loro autonomia e sicura manualità. Le esperienze tuttavia sono utili solo se, pur con lavoro di gruppo, diventano conquista del singolo: a questo scopo sono molto importanti le osservazioni personali, le ipotesi, i passaggi logici per le interpretazioni dei fenomeni. In pratica quindi la lezione è un continuo alternarsi di esperienze e di momenti di discussione in cui si cerca di educare gli allievi ad ascoltarsi, a criticarsi ed a ricercare le conclusioni più ragionevoli, sempre sotto la guida dell'insegnante. Il computer è usato come strumento per agevolare la tabulazione e presentazione dei dati. Oltre al libro di testo in adozione, si fa uso di dispense didattiche. Viene resa obbligatoria la tenuta di un quaderno di appunti personale per sollecitare gli allievi a tenere una traccia chiara, sintetica, completa di tutto quello che si fa a scuola: ciò consente agli studenti di ricostruire quando vogliono con i loro dati e le loro osservazioni un intero esperimento, l'ambito e le motivazioni che lo hanno determinato. A casa i ragazzi devono riordinare e meditare su ciò che hanno appreso a scuola e svolgere gli esercizi di consolidamento assegnati. MODALITA' DI VERIFICA E VALUTAZIONE La verifica della preparazione e la valutazione del profitto avvengono con i seguenti criteri: 1) Continuamente con brevi, ma frequenti "interrogazioni", che possono essere anche soltanto una proposta da parte dell'allievo per una esperienza o un'osservazione opportuna che mette in luce quanto egli ha compreso del significato di ciò che si sta facendo. 2) Relazioni individuali scritte successive ad una o più prove svolte in laboratorio. 2) Valutazione del quaderno di appunti, facendo particolare attenzione alla valutazione di tipo formativo. Gli errori commessi dagli allievi durante il processi di apprendimento potranno così fornire preziose indicazioni per diversificati interventi didattici, finalizzati anche all'attività di sostegno. 3) Al massimo due volte a quadrimestre, elaborazione scritta di questionari e problemi da risolvere tramite i concetti e la metodologia acquisita: questi elaborati costituiscono la premessa ad una discussione in classe che permette all'insegnante di valutare le conoscenze, le capacità di rielaborazione personale e di ragionamento dei singoli alunni. 4) Si ritiene anche importante l'evoluzione della capacità dell'allievo di dare il suo apporto personale al lavoro di laboratorio e di comunicare verbalmente ragionamenti e risultati. 3 ARTICOLAZIONE DEI CONTENUTI Si fornisce una suddivisione anche per periodi, premettendo che è puramente indicativa, essendo facoltà del singolo insegnante nella propria libertà di insegnamento adattarla alla situazione della propria classe. CLASSE PRIMA PRIMO PERIODO Il problema della misura Necessità di misurare per caratterizzare l’ambiente e i corpi. Esperienze di misurazione con strumenti diversi (metro, cronometro, ...). Grandezze omogenee, unità di misura. Misura diretta e indiretta. Errore assoluto: significato, cause e stima. Ordine di grandezza e notazione esponenziale. Cifre significative e cifre certe. Operazioni con le misure. Propagazione degli errori nella moltiplicazione e divisione. Errore relativo e precisione delle misure. Il volume, la massa e la densità Concetto di volume. Misura indiretta del volume (formule per i solidi regolari). Misure di volumi di corpi irregolari per spostamento d’acqua. Esperienze: il volume non si conserva. Inconvenienti dell’uso del volume come misura della materia. Definizione operativa di massa. La bilancia a bracci uguali, la precisione della bilancia. Esperienze: la massa ed il volume di miscugli, la massa ed il volume di un gas. Legge di conservazione della massa. Unità di misura della massa. Concetto di densità. Tabelle di densità. Densità dei liquidi. Esperienze: determinazione della densità di alcuni solidi e liquidi. Relazioni tra grandezze Dirette e inverse; direttamente e inversamente proporzionali. Grandezze vettoriali Definizione di forza. La forza peso. Il dinamometro. Esperienze con le molle. La legge di Hooke. Equilibrio delle forze. Risultante di forze. Somma e differenza di vettori, regola del parallelogramma. Unità di misura della forza. SECONDO PERIODO La pressione Concetto di pressione. Legame tra forza e pressione. Esperienza: volume di un gas e pressione esercitata su di esso: relazione inversa, ma non inversamente proporzionale. Esperienze: recipienti di varia forma contenenti liquidi diversi si vuotano o no. Teoria riassuntiva: i recipienti si vuotano se entra qualcos’altro. Esperienza di Torricelli in varie condizioni. Elaborazione di una nuova teoria che spieghi tutte le esperienze precedenti. Altezza della colonnina di mercurio e di acqua sotto la campana a vuoto. La pressione atmosferica. Esperienze sulla pressione atmosferica. Barometri, altimetri, pressione in meteorologia. Variazione della pressione atmosferica con l’altezza. La legge di Stevino e i vasi comunicanti. Il principio di Pascal e le sue applicazioni Legge di Boyle Rielaborazione dei dati dell’esperienza del volume del gas al variare della pressione esercitata includendo la pressione atmosferica (uso del foglio elettronico). La legge di Boyle. Il galleggiamento dei corpi e il principio di Archimede Esperienze: la spinta di Archimede con il dinamometro. Spinta di Archimede in liquidi diversi. Spinta di Archimede in aria. Condizione di galleggiamento dei corpi: navi, sottomarini, aerostati. Esperienza: Il diavoletto di Cartesio. I punti fissi e il termometro Il concetto di variabile d’ambiente: la temperatura. Osservazione dei punti fissi dell’acqua mediante termoscopio. Esperienza di taratura di un termoscopio e costruzione del termometro. Le diverse scale termometriche. Grafico della temperatura in funzione del tempo durante il raffreddamento delle sostanze. Come riportare gli errori sperimentali nei grafici. Il punto fisso di una sostanza come caratteristica della sostanza. Il cambiamento degli stati della materia: ebollizione e fusione. I fenomeni termici Equilibrio termico. Esperienze con il calorimetro: masse uguali, masse diverse, sostanze diverse. Calore e sue unità di misura (caloria e joule). Taratura e utilizzo di un riscaldatore. Esperienze di misura del calore specifico e della capacità termica di oggetti e sostanze diverse. Misura del calore di fusione del ghiaccio e del calore di ebollizione dell’acqua. Concetto di calore latente. Grafici temperatura – calore, punti fissi delle sostanze. 4 CLASSE SECONDA PRIMO PERIODO Introduzione operativa al concetto di energia Introduzione al dispositivo sperimentale per la misura del calore sviluppato per attrito. Quantità di calore massima prodotta facendo cadere un corpo da una prefissata altezza. Calore prodotto in cadute lungo un piano inclinato. Energia potenziale gravitazionale. Il campo gravitazionale terrestre e la differenza di potenziale. Concetto di velocità: media ed istantanea. Il marcatempo: misure di velocità sulla striscia. Calore prodotto da un corpo in caduta con velocità finale non nulla. Relazione tra la quantità di calore prodotto e la velocità finale del corpo che cade. Energia cinetica. Principio di conservazione dell’energia. Problemi sull’applicazione del principio di conservazione dell’energia in varie situazioni. Cinematica unidimensionale Dalla misura della velocità introdotta intuitivamente nella ricerca precedente, si inizierà la trattazione di alcuni concetti di cinematica e meccanica. Il moto di un corpo. La legge oraria del moto. Moto rettilineo uniforme. SECONDO PERIODO Cinematica unidimensionale Moto uniformemente accelerato. Grafici spazio-tempo e velocitàtempo. Introduzione ai principi della dinamica Moto di un corpo soggetto a forze equilibrate. Il principio di inerzia. Moto determinato da una forza costante. Il secondo principio della dinamica. Il lavoro di una forza. Potenza e rendimento. Introduzione all’ottica geometrica Sorgenti di luce e raggi luminosi. La riflessione della luce. La rifrazione della luce. La riflessione totale. La dispersione della luce. La formazione di un’immagine. Gli specchi sferici. Le lenti. L’occhio. SECONDO BIENNIO E QUINTO ANNO LINEE GENERALI E COMPETENZE Al termine del percorso liceale lo studente avrà appreso i concetti fondamentali 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. La libertà, la competenza e la sensibilità dell’insegnante − che valuterà di volta in volta il percorso didattico più adeguato alla singola classe − svolgeranno un ruolo fondamentale nel trovare un raccordo con altri insegnamenti (in particolare con quelli di matematica, scienze, storia e filosofia) e 5 nel promuovere collaborazioni tra la sua Istituzione scolastica e Università, enti di ricerca, musei della scienza e mondo del lavoro, soprattutto a vantaggio degli studenti degli ultimi due anni. Si sottolinea il ruolo centrale del laboratorio, inteso sia come attività di presentazione da cattedra, sia come esperienza di scoperta e verifica delle leggi fisiche, che consente allo studente di comprendere il carattere induttivo delle leggi e di avere una percezione concreta del nesso tra evidenze sperimentali e modelli teorici. OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO E ARTICOLAZIONE DEI CONTENUTI 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. CLASSE TERZA PRIMO PERIODO 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 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. SECONDO PERIODO 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 le leggi 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. CLASSE QUARTA PRIMO PERIODO 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 il moto armonico, le oscillazioni e 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) 6 SECONDO PERIODO Si completerà lo studio dei fenomeni ondulatori con lo studio della luce con quei fenomeni che ne evidenziano la natura ondulatoria e si concluderà con l’ottica geometrica (laddove non completata al biennio). Lo studio dei fenomeni elettrici 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. CLASSE QUINTA PRIMO PERIODO Lo studente completerà lo studio dell’elettromagnetismo con il magnetismo e l’induzione magnetica e le sue applicazioni, per giungere, privilegiando gli aspetti concettuali, alla sintesi costituita dalle equazioni di Maxwell. Lo studente affronterà anche lo studio delle onde elettromagnetiche, della loro produzione e propagazione, dei loro effetti e delle loro applicazioni nelle varie bande di frequenza. SECONDO PERIODO Il percorso didattico comprenderà le conoscenze sviluppate nel XX secolo relative al microcosmo e al macrocosmo, accostando le problematiche che storicamente hanno portato ai nuovi concetti di spazio e tempo, massa ed energia. L’insegnante dovrà prestare attenzione a 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 modello 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. In quest’ambito, lo studente potrà approfondire tematiche di suo interesse, accostandosi alle scoperte più recenti della fisica (per esempio nel campo dell’astrofisica e della cosmologia, o nel campo della fisica delle particelle) o approfondendo i rapporti tra scienza e tecnologia (per esempio la tematica dell’energia nucleare, per acquisire i termini scientifici utili ad accostare criticamente il dibattito attuale, o dei semiconduttori, per comprendere le tecnologie più attuali anche in relazione a ricadute sul problema delle risorse energetiche, o delle micro- e nano-tecnologie per lo sviluppo di nuovi materiali). 7 MODALITA’ DI VERIFICA E VALUTAZIONE Per quanto riguarda la verifica della preparazione e la valutazione del profitto, si ritiene che questa debba avvenire sia tramite le brevi e frequenti interrogazioni mediante le quali sarà saggiato anche il grado di apprendimento dell'intera classe, sia con esercitazioni scritte che permettano agli allievi una più approfondita rielaborazione e un ulteriore ripensamento degli argomenti trattati. Si ritengono importanti ai fini della valutazione il comportamento responsabile dell'alunno, l'interesse per la materia e l'impegno dimostrato sia a casa che a scuola. Per stabilire il livello di valutazione sufficiente si terrà presente che l'elemento principale su cui "tarare" il voto di sufficienza è rappresentato dalle conoscenze, competenze e abilità acquisite secondo quanto indicato dalle griglie di valutazione delle diverse tipologie di prove: - conoscenza essenziale, un po’ frammentaria; - linguaggio semplice ma abbastanza corretto; - analisi guidata sostanzialmente corretta, sintesi e collegamenti corretti se guidati. 8 GRIGLIA DI VALUTAZIONE DELLA PROVA SCRITTA Indicatori CONOSCENZE COMPETENZE CAPACITA’ Descrittori Dimostrare di conoscere i concetti, le regole necessarie per la soluzione degli esercizi proposti e il linguaggio formale. Saper interpretare correttamente il testo degli esercizi proposti. Saper fornire una stesura del procedimento risolutivo in forma chiara, rigorosa e completa Saper utilizzare le procedure con correttezza di calcolo Organizzazione e utilizzazione di conoscenze e abilità per analizzare, scomporre e elaborare Scelta di procedure ottimali Livelli di valutazione Punti Ottime/Buone Sufficienti/Discrete Insufficienti Grav. Insufficienti Ottime/Buone Sufficienti/Discrete Insufficienti 4 3 2 1 3 2 1 Ottime/Buone Discrete/Sufficienti Insufficienti 3 2 1 Voto assegnato GRIGLIA PER LA VALUTAZIONE DELLA PROVA ORALE OBIETTIVI CONOSCENZE DISCIPLINARI COMPETENZE LINGUISTICO ESPRESSIVE CAPACITA’ DI ANALISI SINTESI E COLLEGAMENTO DESCRITTORI GIUDIZIO PUNTI Conoscenza lacunosa e frammentaria Conoscenza essenziale, un po’ frammentaria Conoscenza completa degli argomenti trattati Conoscenza completa, approfondita e coordinata Insufficienti 1 Sufficiente 2 Discrete – Buone 3 Ottime 4 Linguaggio non appropriato, scarsa capacità argomentativa Linguaggio semplice ma abbastanza corretto Linguaggio appropriato con capacità argomentative Insufficienti 1 Sufficienti – Discrete 2 Analisi parziali, sintesi e collegamenti parziali, limitati e imprecisi Analisi guidata sostanzialmente corretta, sintesi e collegamenti corretti se guidati Analisi, sintesi e collegamenti completi, corretti e autonomi 3 Buone - Ottime Insufficienti Sufficienti – Discrete 1 2 3 Buone - Ottime Voto assegnato 9 GRIGLIA DI VALUTAZIONE PER LA PROVA PRATICA Indicatori Descrittori Dimostrare di conoscere le regole necessarie CONOSCENZE per effettuare un’esperienza assegnata Dimostrare di conoscere le leggi e i principi fondamentali implicati nell’esperienza COMPETENZE Saper interpretare correttamente lo scopo di CAPACITA’ un’esperienza di laboratorio Saper fornire una stesura del procedimento di un esperimento in forma chiara e appropriatamente rappresentata Saper utilizzare il lessico specifico, la simbologia appropriata con correttezza di calcolo Saper applicare consapevolmente le conoscenze sull’uso della strumentazione di laboratorio Mostrare di possedere capacità di osservazione, logiche ed espressive, di elaborazione personale e originale nell’ambito di procedimenti sperimentali Mostrare di saper collaborare in un gruppo di lavoro Livelli di valutazione Punti Fino a Insufficienti 1 Sufficienti/Discrete 2 Buone/Ottime 3 Grav. Insufficienti 1 Insufficienti 2 Sufficienti/Discrete 3 Buone/Ottime 4 Insufficienti 1 Sufficienti/Discrete 2 Buone/Ottime 3 Voto assegnato /10 10