Fine corso 5.5.2011
Lezioni Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria
Laurea quadriennale abilitante – 3 anno Maior Scientifico
A.A. 2010-11
Prof. Giovanna Puddu
2h 18/10/10 4 presenti
Introduzione al corso di Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria.
La situazione dell’Università e dell’Istruzione (Riforma Gelmini in discussione).
L’educazione unitaria e le discipline. Obiettivi della didattica delle scienze.
Lo studio della natura e le specializzazioni. L’interdisciplinarità.
L’insegnante colto e la scelta dei programmi e dei metodi.
L'oggetto di indagine della Fisica e le 'dimensioni'. Gli ordini di grandezza e le unita' di
misura.
2h 19/10/10 8 presenti
Ancora sulle dimensioni della natura. Multipli, sottomultipli ed ordini di grandezza.
L’osservazione di oggetti di diverse dimensioni. L’occhio e gli strumenti ottici.
LA LUCE
L’importanza dello studio della luce.
Comportamento della luce nell’approssimazione dell’ottica geometrica:
Sorgenti luminose e propagazione della luce. La velocità della luce.
Interazione fra la luce e i corpi. Corpi trasparenti e opachi.
Trasmissione e assorbimento della luce. Interazione fra la luce e i corpi: riflessione,
diffusione, rifrazione. Localizzazione degli oggetti da parte dell’occhio.
Le leggi della riflessione. Superfici non levigate e diffusione.
La rifrazione e le leggi di Snell. Indice di rifrazione assoluto e relativo.
2h 25/10/10 6 presenti
Specchi piani: costruzione delle immagini con specchi piani. L’ingrandimento lineare.
Oggetti ed immagini congruenti. Immagini stigmatiche e simmetriche.
Rifrazione e riflessione parziale in un diottro piano. L’invertibilità del cammino ottico.
La riflessione totale e l’angolo limite. Costruzione di immagini con un diottro piano.
Lastra a facce piane parallele: traslazione delle immagini.
2h 26/10/10 6 presenti
L’angolo limite e la riflessione totale. Effetti di rifrazione e riflessione totale: il miraggio
e la fata morgana.
La luce, i colori ed i fotoni di diversa energia. Energia, lunghezza d’onda e frequenza dei
fotoni per radiazioni nel visibile e non. Diversa penetrabilità dei fotoni di diversa
frequenza. Dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda.
Dispersione della luce. Mezzi dispersivi e separazione dei colori. Il prisma.
2h 2/11/10 6 presenti
Specchi curvi. Le approssimazioni di Gauss (piccola apertura e approssimazione
parassiale) e congruenza fra le immagini e gli oggetti.
Specchi sferici concavi e convessi sotto le approssimazioni di Gauss.
Cammino ottico di ‘raggi particolari’.Costruzione di immagini.
Diottro piano e sferico: costruzione di immagini per oggetti posti nel mezzo più denso e
in quello meno denso. Immagini ingrandite e rimpicciolite.
Lenti sferiche convergenti e divergenti.
2h 8/11/10 5 presenti
Lenti sferiche sottili e approssimazioni di Gauss. Cammino ottico di ‘raggi particolari’ e
costruzione di immagini per lenti convergenti. La lente d’ingrandimento.
Costruzione di immagini con lenti divergenti. Correzione dei difetti dell’occhio con lenti:
il caso della miopia.
Sistemi ottici centrati. Il microscopio composto.
2h 9/11/10 4 presenti
Partecipazione al FestivalScienza organizzato da ScienzaSocietaScienza.
Laboratorio interattivo sull’equilibrio a cura di Pietro Olla.
2h 15/11/10 9 presenti
Luce-luce e il principio di sovrapposizione.
Specchi curvi: Regioni in cui si formano le immagini reali e virtuali. Convenzione dei
segni e formula degli specchi (con dimostrazione).
Convenzione dei segni e formula delle lenti (senza dimostrazione).
Effetti di rifrazione, dispersione e riflessione totale: l’arcobaleno
Lunghezza d’onda della luce, dimensioni degli oggetti e limiti dell’ottica geometrica.
Cenni alle figure di diffrazione e interferenza.
Come insegnare l’ottica nella scuola primaria?
2h 16/11/10 9 presenti
La massa come forma di energia. E = m c2
Principi di conservazione
STRUTTURA DELLA MATERIA E STATI DI AGGREGAZIONE:
Strutture e componenti. Composizione e scomposizione.
Il problema dei componenti elementari: Quali? Quanti? Come si combinano?
Molecole e sostanze; atomi ed elementi.
Cenni allo sviluppo della chimica nel XIX secolo. La classificazione degli atomi.
2h 22/11/10 9 presenti
Distanza media fra le molecole e stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas.
Principi di conservazione della massa e del volume per solidi e liquidi ideali a
temperatura costante. Unità di misura per volumi e capacità.
La densità, la densità media e la media pesata. Densità locale e omogeneità.
Grandezze estensive ed intensive.
Significato di grandezze derivate dal rapporto di grandezze disomogenee.
FLUIDI IDEALI IN MOTO
Liquidi ideali in moto in un condotto ideale: costanza della densità, portata volumica e
principio di continuità. La variazione della velocità in sezioni di diversa area.
2h 23/11/10 6 presenti
Fisica e matematica: grandezze fisiche ed enti matematici (numero e vettore);
grandezze fisiche dipendenti e relazioni matematiche (equazioni).
Forze come causa di deformazione dei corpi.
Corpi rigidi e deformabili. Corpi elastici. Misura statica delle forze e dinamometro.
Unità di misura delle forze: il Newton e il kilogrammopeso.
Somma di vettori. Moltiplicazione di un vettore per uno scalare. Differenza di vettori.
Scomposizione di un vettore in due direzioni qualunque.
La risultante di un sistema di forze.
FLUIDI IN QUIETE
Forze su superfici: componente perpendicolare e di taglio
Pressione
Solidi, liquidi e aeriformi ed effetto di deformazione dovuto alla pressione.
Deformazioni di scorrimento dovute agli sforzi di taglio
I liquidi non resistono agli sforzi di taglio: forze perpendicolari alle superfici.
2h 29/11/10 6 presenti
Andamento della pressione nei liquidi: dipendenza lineare dalla profondità.
La pressione idrostatica o di Stevino.
[2h 30/11/10 partecipazione al momento di riflessione sui temi della riforma universitaria
assistendo alla trasmissione del dibattito parlamentare alla Camera]
2h 07/12/10 7 Presenti + Valutazione di Ateneo
La pressione in funzione della quota nell’acqua e nell’aria.
Ancora sull’andamento della pressione nei fluidi.
Il principio di Archimede. Le forze di pressione per un corpo immerso in un fluido e la
forza di Archimede. Volume di liquido spostato per corpi immersi e in condizione di
galleggiamento. La densità relativa.
La distribuzione delle masse e il baricentro. Il punto di applicazione del peso.
Cenni al punto di applicazione della forza di Archimede e condizioni di equilibrio o di
rotazione del corpo.
2h 13/12/10 6 Presenti
Il principio di Pascal e sue applicazioni (la pressa idraulica).
Liquidi immiscibili e quote raggiunte in vasi comunicanti.
2h 20/12/10 4 Presenti (ultima lezione I parte: 30 ore)
TERMODINAMICA E CALORIMETRIA
Energia: L’energia cinetica, l’energia interna e il calore
Calore e temperatura. Verso degli scambi di calore.
Misura delle temperature: scala Kelvin e scala Celsius. La caloria.
Relazione fondamentale della calorimetria e calore specifico.
Trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento.
Calcolo della temperatura di equilibrio fra due corpi messi a contatto.//
2h 07/03/11 9 Presenti (prima lezione II parte)
IL MOVIMENTO
Introduzione alla meccanica: studio del movimento e dell’equilibrio.
I corpi di dimensioni trascurabili (corpi puntiformi) e i corpi estesi (rigidi e non).
Posizionamento di un punto e sistemi di riferimento. Il cambio di posizione e lo spostamento.
Distanza fra punti (sulla retta e sul piano). Modulo dello spostamento e lunghezza della
traiettoria. Misure di lunghezze e di tempi.
La velocità. Il rapporto fra grandezze disomogenee.
Grandezze vettoriali. Rappresentazione geometrica dei vettori
2h 08/03/11 8 Presenti
Moto di un punto su una retta. Grafici spazio-tempo e rappresentazione della velocità.
Velocità costante. La legge oraria nel moto rettilineo uniforme.
Formule inverse e problemi sul moto rettilineo uniforme.
La variazione della velocità e l’accelerazione.
Il principio di inerzia. Dalle osservazioni ingenue all’interpretazione astratta.
La complessità nello studio di un fenomeno e la scelta delle variabili significative
(esempio del corpo che si muove con attrito).
2h 14/03/11 9 Presenti
Le ‘cause’ di accelerazione. Forze e composizione di forze. La risultante.
Grandezze vettoriali. Rappresentazione geometrica dei vettori e somma di vettori.
Sistema di forze a risultante nulla. Condizioni di equilibrio per un corpo ‘puntiforme’.
Il secondo principio della dinamica.
F = m a. La massa inerziale.
Scomposizione di forze. Vincolo piano e reazione vincolare.
Primi cenni sul piano inclinato senza attrito.
2h 15/03/11 8 Presenti
Corpi estesi. Corpi rigidi e deformabili. Misura statica delle forze col dinamometro.
Forze applicate a corpi rigidi. Risultante di forze concorrenti. Risultante di forze parallele e
centro di spinta. Il baricentro. Momento di una forza rispetto ad un punto e rotazione.
Corpi vincolati in un punto. Le leve.
2h 22/03/11 10 Presenti
Le forze: interazioni elementari e forze macroscopiche.
Interazioni elementari a lungo raggio d’azione.
Interazioni fra masse e fra cariche elettriche ‘puntiformi’.
La legge di gravitazione universale e la legge di Coulomb.
Forze a distanza e terzo principio della dinamica.
Principio di sovrapposizione e risultante delle forze agenti su un corpo.
Masse a simmetria sferica e legge di gravitazione per corpi a simmetria sferica.
Andamento con la distanza delle forze gravitazionale ed elettrica: rappresentazione grafica.
Le cariche positive e negative. Le cariche nell’atomo. Elettroni e protoni.
Elettrizzazione dei materiali. Elettrizzazione indotta.
2h 28/03/11 6 Presenti
L’ATOMO e il NUCLEO
Le interazioni fondamentali a lungo e corto raggio d’azione.
Interazioni nell’atomo: fra nucleoni e fra nucleo ed elettroni.
L’atomo e l’interazione forte. Le particelle nel nucleo: il protone e il neutrone.
La concentrazione della massa nel nucleo dell’atomo. Dimensioni atomiche e nucleari.
Elementi e atomi. Numero atomico Z e massa atomica A. Gli isotopi.
Problemi nel modello di Rutherford. Gli spettri a righe e la quantizzazione delle orbite.
Interazioni fra atomi: i legami chimici e le molecole.
Cenni allo sviluppo della chimica nel XIX secolo. La classificazione degli atomi.
L’elenco e la massa atomica. La tavola di Mendeleev
2h 29/03/11 6 Presenti
La CLASSIFICAZIONE degli atomi e i MODELLI
Strutture e componenti. Composizione e scomposizione.
Il problema dei componenti elementari: Quali? Quanti? Come si combinano?
Lettura di alcuni passi sugli atomi (semi, principi primi) e sulla loro aggregazione
dal De Rerum Natura di Lucrezio.
Cenni agli esperimenti d’urto. L’analogia fra la materia ed il linguaggio.
Atomi ed elementi ; Molecole e sostanze.
Dalton ed i simboli per gli elementi e per le sostanze.
Lo sviluppo della chimica nel XIX secolo. La classificazione degli atomi.
L’elenco e la massa atomica. La costruzione della tavola di Mendeleev.
Gli elementi mancanti e la previsione.
2h 04/04/11 6 Presenti
Cenni all’uso dei modelli.
Modello dell’atomo di Thomson. Gli elettroni. La carica elettrica negativa e positiva.
Rutherford: il modello planetario dell’atomo e il nucleo.
La struttura dei nucleoni: i quark. Il modello standard: i quark e i leptoni.
Cenni al modello standard.
Le particelle stabili e quelle a vita breve.
L’antimateria: creazione e annichilazione. La massa come forma di energia.
Le reazioni fra particelle e la conservazione dell’energia.
2h 05/04/11 8 Presenti
INTERAZIONI e CAMPI
Le interazioni fondamentali: a lungo e corto raggio d’azione.
Dalla concezione dell’interazione come forze a distanza alla concezione di campo.
L’interazione mediata dal campo. Limiti del terzo principio della dinamica.
Cenni alle particelle di scambio.
2h 11/04/11 7 Presenti
Ancora sui modelli e sul limite delle teorie.
Matematica e Fisica: enti matematici e grandezze fisiche, equazioni e leggi fisiche.
La formazione delle idee scientifiche: dalla percezione alle ipotesi argomentate.
Il campo gravitazionale g e il campo elettrico E.
Rappresentazione dei campi con le linee di campo (e di forza).
Campi uniformi e variabili punto per punto.
Andamento del campo gravitazionale dovuto ad una massa a simmetria sferica (come la terra).
La legge di gravitazione universale e il campo g intorno alla terra.
Variazione di g con la quota.
Il peso, la massa e l’accelerazione di gravità.
Forza su una carica in campo gravitazionale e sua accelerazione a=g.
Forza su una carica in campo elettrico e sua accelerazione a=E q/m.
2h 12/04/11 9 Presenti
Forze e accelerazione. Gli effetti delle componenti dell’accelerazione.
L’accelerazione parallela alla velocità e l’accelerazione perpendicolare.
Cenni al moto circolare uniforme.
ENERGIA:
Il lavoro di una forza. Lavoro positivo, nullo e negativo. Il lavoro delle forze d’attrito.
L’energia cinetica k.
Il teorema dell’energia cinetica: lavoro e variazione di k.
La reazione vincolare (vincolo piano) e il piano inclinato: discussione utilizzando
il teorema dell’energia cinetica.
2h 18/04/11 7 Presenti
Le forze conservative. L’energia potenziale. Lavoro e variazione di energia potenziale.
Il principio di conservazione dell’energia meccanica.
Risoluzione di problemi utilizzando il principio di conservazione dell’energia meccanica.
2h 19/04/11 6 Presenti
Campi conservativi:
Energia potenziale e Potenziale in un punto. Lavoro e differenze di potenziale.
Superfici equipotenziali. Campo e gradiente (spaziale) del potenziale.
Rappresentazione dei campi con linee di campo e superfici equipotenziali.
Energia e potenza. La potenza e il Watt. Joule e kWh.
2h 02/05/11 7 Presenti
CORRENTI ELETTRICHE
Portatori di carica nella materia e neutralità macroscopica.
Portatori di carica nei gas, nelle soluzioni elettrolitiche e nei metalli.
Conduttori metallici: ioni del reticolo cristallino ed elettroni di conduzione.
Forza su una carica in campo elettrico e sua accelerazione a=E q/m.
Variazione dell’energia cinetica per una carica che si muove in c.e.
Elettroni in moto nei metalli: effetto Joule
Le correnti elettriche e l’intensità di corrente. Il Coulomb e la carica elementare.
Energia e differenze di potenziale. Il Volt. Joule ed elettronVolt. L’Ampère.
Movimento degli elettroni dentro un metallo sotto l’azione di un campo elettrico: resistenza
dovuta agli urti ed effetto Joule: riscaldamento del metallo.
Conduttori metallici e leggi di Ohm . La resistenza elettrica e l’Ohm
2h 03/05/11 6 Presenti
Magneti permanenti e poli magnetici. Le correnti elementari nei magneti permanenti.
Correnti elettriche e campo magnetico. Il vettore B. Linee di campo per il campo magnetico e
ago di una bussola. Il campo magnetico terrestre.
Azione di un campo magnetico su una carica in moto: deviazione.
Come parlare di elettricità e magnetismo nella scuola primaria?
Conclusione del Corso
