Lezioni Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria
Laurea quadriennale abilitante – 3 anno Maior Scientifico - A.A. 2012-13
(ultimo 3 anno della quadriennale ad esaurimento; nuova quinquennale partita nel 2010-11)
Prof. Giovanna Puddu
2h 08/10/12 3 presenti
Introduzione al corso di Fondamenti di Fisica per Scienze della Formazione Primaria.
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 unità di
misura. Multipli, sottomultipli ed ordini di grandezza.
L’osservazione di oggetti di diverse dimensioni. L’occhio e gli strumenti ottici.
2h 09/10/12 4 presenti
Ancora sulle dimensioni della natura.
LA LUCE: L’importanza dello studio della luce.
Sorgenti luminose e propagazione della luce. Velocità della luce nel vuoto.
Interazione fra la luce e i corpi. Corpi trasparenti e opachi.
Trasmissione e assorbimento della luce.
2h 15/10/12 3 presenti
Luce-corpi: La riflessione e la diffusione. Il colore degli oggetti.
Sorgenti e oggetti illuminati. Localizzazione da parte dell'occhio.
Specchi piani. Immagini simmetriche e virtuali.
Immagini a fuoco: l'immagine di un punto è un punto.
Immagini stigmatiche e similitudine. L'ingrandimento lineare.
Assorbimento della luce e riscaldamento.
Oggetti trasparenti: la trasmissione della luce.
Riflessione, assorbimento e rifrazione parziali. Oggetti opachi e ombre.
Luce-luce: il principio di sovrapposizione.
2h 16/10/12 4 presenti
Diottri piani e rifrazione. Le leggi di Snell. Indice di rifrazione assoluto e relativo.
Rifrazione e riflessione parziale in un diottro. L’invertibilità del cammino ottico.
La luce policromatica e i colori. Dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza
d’onda. Dispersione della luce. Mezzi dispersivi e separazione dei colori. Il prisma.
L’angolo limite e la riflessione totale.
2h 22/10/12 5 presenti
Diottri piani e sferici. Costruzione di immagini. Costruzione di immagini diottro piano
(remo spezzato) e diottro sferico (sistema aria-acqua).
Lastra a facce piane parallele: traslazione della direzione di propagazione.
Effetti di rifrazione e riflessione totale: il miraggio e la fata Morgana
Oggetti ed immagini congruenti. Immagini stigmatiche e simmetriche.
2h 23/10/12 4 presenti
Lenti sferiche convergenti e divergenti. Centri di curvatura e asse ottico. Lenti sottili.
Strumenti ottici e ‘concentrazione’ dell’energia luminosa. Il fuoco.
Le approssimazioni di Gauss (piccola apertura e approssimazione parassiale) e
congruenza fra le immagini e gli oggetti. Immagini ingrandite e rimpicciolite.
Aberrazioni.
2h 29/10/12 4 presenti + 2 alla fine
Costruzione di immagini con specchi sferici concavi e convessi e lenti sferiche sottili
convergenti e divergenti, sotto le approssimazioni di Gauss.
La formula dei punti coniugati.
2h 05/11/12 3 presenti
I modelli. Modello corpuscolare e ondulatorio. Fotoni e onde.
Lunghezza d’onda, periodo e frequenza per grandezze periodiche.
La luce, i colori ed i fotoni di diversa energia. Energia, lunghezza d’onda e frequenza dei
fotoni per radiazioni nel visibile e non.
Limiti dell’ottica geometrica: corpi di dimensioni d confrontabili con la lunghezza d’onda
della luce. Cenni alle figure di diffrazione e interferenza.
Come insegnare l’ottica nella scuola primaria? Tener conto delle pre-conoscenze.
2h 06/11/12 4 presenti
STRUTTURA DELLA MATERIA E STATI DI AGGREGAZIONE:
La massa come forma di energia. E = m c2
Corpi materiali e strutture.
Strutture e componenti. Composizione e scomposizione.
Il problema dei componenti elementari: Quali? Quanti? Come si combinano?
Molecole e sostanze; atomi ed elementi.
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.
Cenni allo 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.
Cenni all’uso dei modelli.
Modello dell’atomo di Thomson. Gli elettroni. La carica elettrica negativa e positiva.
2h 19/11/12 4 presenti
Esercitazione e ripasso in previsione della prova parziale di ottica.
2h 20/11/12 4 presenti
Rutherford: il modello planetario dell’atomo e il nucleo.
La struttura dei nucleoni: i quark. Cenni al modello standard: i quark e i leptoni.
Particelle stabili e a vita breve.
(seconda ora: questionario di Mirian Agus sulla comprensione della probabilità)
2h 26/11/12 4 presenti
La massa come forma di energia. E = m c2
Molecole e sostanze; atomi ed elementi.
Distanza media fra le molecole e stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas.
Unità di misura per volumi e capacità.
La densità. Significato di grandezze derivate dal rapporto di grandezze disomogenee.
Densità media. Media pesata. Densità locale e omogeneità.
Grandezze estensive ed intensive.
2h 27/11/12 4 presenti
Corpi immersi in un liquido: densità relativa e galleggiamento.
Percentuale di volume immerso e densità relativa corpo-liquido.
Principi di conservazione della massa e del volume per solidi e liquidi ideali a
temperatura costante.
Distanza media fra le molecole e stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas.
Stati di aggregazione e principi di conservazione
Stati di aggregazione e densità
Interazioni elementari e forze intermolecolari
Andamento delle forze intermolecolari con la distanza
Stati di aggregazione e distanze intermolecolari medie
2h 03/12/12 4 presenti
Forze inter-molecolari nei liquidi: andamento con la distanza.
Risultante per le molecole in superficie e la pressione superficiale.
Situazione energeticamente svantaggiosa per le molecole in superficie e tendenza a
raggiungere stati di equilibrio con superfici libere di area minima. Le superfici liquide
tendono a contrarsi: la tensione superficiale.
Sforzi di pressione e di taglio e deformazioni per i solidi ideali.
I liquidi non resistono agli sforzi di taglio: all’equilibrio solo forze perpendicolari alle
superfici. Forze di coesione e di adesione vicino alle pareti del recipiente. Liquidi che
‘bagnano le pareti’. Il capillare.
2h 04/12/12 4 presenti
TEMPERATURA e CALORE
Energia cinetica, Temperatura e Energia interna
Dislivelli di temperatura e verso degli scambi di energia sotto forma di calore.
Scambi di calore e veriazione di temperatura: Q = c m (Tf-Ti). Calore specifico.
Variazione di temperatura e dilatazione.
Trasmissione di calore: conduzione, convezione e irraggiamento.
2h 11/12/12 2 presenti
STATI DI AGGREGAZIONE:
Variazione della distanza media delle molecole con la temperatura. Variazione di temperatura e
dilatazione. La temperatura nella fase di passaggi di stato. Distribuzione Maxwelliana delle
velocità delle molecole in un fluido e raffreddamento nell’evaporazione.
LIQUIDI in equilibrio: Pressione idrostatica e legge di Stevino. Principio di Pascal. Vasi
comunicanti.
LIQUIDI ideali in moto: Incompressibilità e costanza della densità. Conservazione della
portata volumica. Principio di continuità e velocità in sezioni di diversa area. Pressione in
sezioni di area diversa.
2h 18/12/12
Esercitazione con prove in itinere sugli argomenti: struttura della materia e fluidi.
I parte : 17 lezioni = 34 ore nell’anno 2012
2h 04/03/13 4 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.
2h 05/03/13 5 presenti
La velocità. Il rapporto fra grandezze disomogenee.
Grandezze vettoriali. Rappresentazione geometrica dei vettori
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.
2h 11/03/13 6 presenti
Somma di vettori: la regola del parallelogramma.
Sistema di forze applicate ad uno stesso corpo: la risultante.
Moltiplicazione di un vettore per uno scalare. Differenza di vettori.
Composizione di vettori. Proprietà commutativa e associativa per la somma.
Composizione di forze e Risultante.
La variazione della velocità e l’accelerazione.
Cenni al moto con accelerazione costante: M.U.A.
2h 12/03/13 6 presenti
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).
Le ‘cause’ di accelerazione. Forze e composizione di forze. La risultante.
Il secondo principio della dinamica. F = m a. La massa inerziale.
Le forze: grandezze vettoriali. Forze e deformazione. Il caso della variazione di
lunghezza della molla. Il dinamometro. Misura delle forze. Il Newton.
2h 18/03/13 6 presenti
Le forze: interazioni elementari e forze macroscopiche.
Forze attrattive e repulsive. Composizione e scomposizione di vettori.
Forze macroscopiche: Peso (vicino alla superficie terrestre), reazione vincolare, forze di
attrito, cenni alla forza elastica.
Il piano inclinato.
2h 19/03/13 6 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.
Principio di sovrapposizione e risultante delle forze agenti su un corpo.
Andamento con la distanza delle forze gravitazionale ed elettrica: rappresentazione grafica.
Masse a simmetria sferica e legge di gravitazione per corpi a simmetria sferica.
Forza gravitazionale e peso.
Andamento della forza gravitazionale dovuto ad una massa a simmetria sferica (come la terra).
Variazione del peso con la quota. Il peso, la massa e l’accelerazione di gravità.
2h 25/03/13 5 presenti
Forze a distanza e terzo principio della dinamica.
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.
Il campo gravitazionale e il campo elettrico.
L’interazione mediata dal campo. Limiti del terzo principio della dinamica.
Cenni alle particelle di scambio.
2h 26/03/13 7 presenti
Esercitazione con prove in itinere sugli argomenti svolti nel primo semestre.
Vacanze di Pasqua
2h 08/04/13 5 presenti
Il campo gravitazionale g e il campo elettrico E.
Variazione di g con la quota intorno alla terra.
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.
Rappresentazione dei campi col le linee di campo.
2h 09/04/13 5 presenti
Ancora sul moto di masse e cariche rispettivamente in campo gravitazionale ed elettrico.
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.
Le correnti elettriche e l’intensità di corrente. Il Coulomb e la carica elementare.
Energia e differenze di potenziale. Il Volt. Il Joule. 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 15/04/13 5 presenti
FORZE, LAVORO, 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.
Le forze conservative. L’energia potenziale. Lavoro e variazione di energia potenziale.
Il principio di conservazione dell’energia meccanica.
Il caso del campo gravitazionale 'uniforme': applicazioni del teorema dell'energia cinetica
e del principio di conservazione dell'energia meccanica.
2h 16/04/13 7 presenti
Circuiti elettrici resistivi. Resistenze in serie e parallelo. La legge di Ohm.
Esercitazione con montaggio di circuiti e misure.
2h 22/04/13 5 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: 60 ore.
