Giuseppina Rinaudo - Didattica della Fisica
Corso SIS – Indirizzo fisico-matematico - a.a. 2004/05
5. Fisica, storia, tecnologia e società
5.1 Inquadramento storico della fisica: perché, come, che cosa
-
comprendere che i concetti fisici si sono sviluppati storicamente in modo non sempre lineare e
con diversi contributi,
imparare a dubitare delle eccessive semplificazioni storiche (es. Galileo fu “l’inventore” del
metodo scientifico),
saper collocare storicamente le principale figure di scienziati e lo sviluppo delle principali
teorie, anche nel contesto della situazione sociale, politica ed economica e delle principali linee
del pensiero filosofico,
5.2 Ruolo della tecnologia nello sviluppo delle idee fisiche
-
comprendere ed apprezzare il ruolo che il livello di sviluppo tecnologico ha giocato e gioca
nella realizzazione degli esperimenti e nello sviluppo stesso dei concetti fisici (esempi)
comprendere che lo sviluppo tecnologico è legato, a sua volta, allo sviluppo delle teorie fisiche
5.3 Perché è importante l’aggancio tra la fisica e la “società”
Per comprendere il contesto sociale della fisica
- per capire il legame fra la "fisica che si impara a scuola" e la vita quotidiana,
- per capire che la fisica (e in generale la scienza) non è "neutra",
- per imparare a utilizzare in un contesto diverso le capacità e le conoscenze che lo studio
della fisica aiuta a sviluppare
Per lo sviluppo cognitivo
conoscenza e comprensione: ritrovare nel problema in esame le leggi e in generale le
conoscenze fisiche già acquisite,
capacità di applicare le leggi studiate anche al di fuori del contesto scolastico,
capacità di analizzare i dati del problema, anche estraendoli da mezzi di informazione
non “scolastici”, per trovare le soluzioni o per comprendere la portata delle
implicazioni,
capacità di sintetizzare i risultati ottenuti e di metterli in relazione con il contesto
sociale da cui sono emersi,
capacità di valutare e proporre: esaminare criticamente i risultati, confrontarli con le
proprie aspettative e/o con le informazioni di partenza, proporre eventualmente
soluzioni, raccomandazioni, ecc.
Per lo sviluppo degli atteggiamenti:
disponibilità all’ascolto: raccogliere ed esaminare criticamente l'informazione,
coinvolgimento: impegnarsi in modo attivo a focalizzare il problema, non solo attraverso
la raccolta di informazioni ma anche attraverso la rielaborazione personale
accettazione: del sistema di valori propri della fisica, applicati al contesto in esame (non
si può ragionare in modo “scientifico” in classe per risolvere un problema e usare un
approccio diverso in un problema extrascolastico)
comprensione: non solo della relazione fra le leggi fisiche e il problema in esame, ma
anche delle conseguenze e implicazioni che ne derivano,
1
partecipazione: condividere a fondo il sistema dei valori e assumere di conseguenza le
relative responsabilità (Welt Anschau)
Per gli aspetti interdisciplinari
collegare gli aspetti scientifici specifici della fisica con quelli di altre discipline (geologia,
biologia, economia, sociologia, ecc.)
“literacy”: capacità di leggere, comprendere e analizzare un testo oppure di produrre un
testo avente le caratteristiche indispensabili a una corretta trasmissione dell’informazione
Per una didattica "per problemi"
sviluppare strategie per individuare i termini del problema
utilizzare conoscenze e metodi appresi in altri contesti per analizzare e risolvere problemi
5.4 Modalità
Programmazione
- inserimento programmato negli argomenti che si stanno trattando, sia nelle lezioni sia in
laboratorio
- dato come lavoro a casa, come approfondimento o nello spirito del "fai da te"
- in risposta a sollecitazioni esterne: articoli di giornale, programmi televisivi, internet, ecc
- attività dedicate: mostra locale, incontro con altre classi, Settimana della Cultura Scientifica,
ecc.
Conduzione
- usuale, come lezione o attività di laboratorio,
- come approfondimento o ricerca personale,
- come lavoro di gruppo.
È importante in ogni caso evitare di cadere nella pura “chiacchera” o nell’informazione
giornalistica, ma occorre cercare di ricuperare sempre gli aspetti scientifici, in termini di:
- grandezze fisiche rilevanti nel problema
- misure, dati quantitativi, sia pure come semplici ordini di grandezza
- leggi, modellizzazione
- dati oggettivi presentati e discussi e speculazioni o ipotesi introdotte ad hoc
- semplificazioni o approssimazioni dichiarate o nascoste
La valutazione
- Perché:
per sottolineare che si tratta di argomenti che hanno, nei riguardi della disciplina, lo stesso
valore cognitivo degli argomenti convenzionali
per valutare capacità che difficilmente sarebbero valutabili in altre attività
- Che cosa:
la correttezza degli aspetti disciplinari
la comprensione della dimensione “sociale”
le capacità legate alla “literacy” (comprensione, analisi critica e produzione di testi)
- Come:
se si è svolto il tema a lezione: attraverso problemi (eventualmente con guida alle risposte)
oppure con quesiti aperti o semiaperti, in ogni caso con griglia di valutazione,
se trattasi di attività di laboratorio: con la usuale valutazione del laboratorio,
se lo studio è stato svolto autonomamente: attraverso un saggio o una tesina, fornendo prima
uno schema di massima e predisponendo una griglia di valutazione.
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5.5 Esempi di possibili argomenti
L'energia:
pompe e immagazzinamento di energia,
efficienza alla produzione e al consumo,
centrali per la produzione di energia: idroelettriche, termoelettriche, nucleari,
fonti rinnovabili,
combustibili fossili,
radiazione solare,
fissione e fusione,
consumi energetici nei paesi industrializzati,
energie per il futuro,
sviluppo storico del concetto di energia,
energie per il futuro
La crescita esponenziale
La rivoluzione industriale
Trasporti
L'automobile
Le civiltà tecnologiche
La valutazione degli sviluppi tecnologici
Il buco dell'ozono
Il "global warming"
I metodi di datazione con la radioattività
Gli effetti biologici delle radiazioni
L’elettrosmog
La valutazione del rischio
Le armi a fissione nucleare
Le armi a fusione nucleare
La proliferazione degli armamenti nucleari
Le scorie nucleari
La ricerca di intelligenza extra-terrestre
Gli UFO
Pseudo-scienza e fenomeni paranormali
5.6 Strategie di scelta, analisi e produzione di documentazione (“literacy”)
L’importanza di una buona documentazione
- deve fornire elementi di informazione oggettiva e non solo opinioni
- le informazioni debbono essere chiare, sufficienti e autoconsistenti perché il lettore possa
formarsi un giudizio personale sull’argomento
Leggere e analizzare un testo scientifico
comprendere le parole
estrarre l’informazione (information retrieval)
Scrivere un testo scientifico
analizzare e ricostruire un testo esistente
produrre un nuovo testo
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Le parole
-
controllare la comprensione del significato delle parole, in particolare di quelle che hanno
significato diverso nel linguaggio quotidiano e in quello scientifico
- introdurre e spiegare nuove parole: abituare all’uso di dizionari scientifici o tecnici, far uso
abituale di banche dati di parole, costruire glossari
- lavorare sulle parole: differenze fra significati parole, sinonimi, ecc. (es. “irradiare” o
“contaminare”)
- giocare con le parole: vero/falso, parole incrociate,ecc.
Information retrieval
sviluppare specifiche abilità per individuare l’informazione: es. usare titoli, etichette, parole
chiave, indici, bibliografie
- individuare il tipo di testo: es. articolo di giornale, rapporto, manuale di istruzioni, resoconto,
racconto fantascientifico (vedi tabella)
- capire la struttura del testo: racconto che segue l’evoluzione temporale, argomentazione con
diversi punti di vista messi a confronto oppure diversi elementi presentati in successione o in
contrapposizione, ecc.
- identificare l’informazione chiave contenuta nei singoli paragrafi, nel testo intero, in figure,
tabelle, schemi, ecc.
- riassumere, fare uno scan del testo, scremare
-
Analizzare e ricostruire un testo
Analisi
- Sottolineare:
parole chiave, concetti o idee centrali, frasi che portano particolari tipi di
informazione (sottolineare “tutto” non serve!)
- Etichettare:
labeling, associare a ogni paragrafo o sezione un’etichetta o un titolo
sintetico che riassuma le principali idee o informazioni contenute
- Estrarre:
aspetti e punti chiave
- Riassumere:
con diagrammi, mappe, flow chart, tabelle
- Porsi domande: scrivere le domande suscitate dal testo e rimaste senza risposta
- Fare previsioni: estrapolare quanto detto nel testo per trarne altre conseguenze non discusse
esplicitamente
Ricostruzione
- Ordinare:
ricostruire l’ordine cronologico o logico di un testo
- Modificare:
cambiare il tipo di presentazione (ad es. da presentazione lineare a mappa)
- Completare:
frasi, tabelle, diagrammi, ecc.
-
Tipi di testo
racconto:
raccontare come si sono svolti i fatti allo scopo di informare o intrattenere
resoconto non cronologico: descrivere un fenomeno o un processo secondo un preciso
ordine logico
manuale di istruzioni: descrivere come qualcosa è costruito o funziona con una serie di
passi in sequenza
spiegazioni:
spiegare i processi coinvolti in fenomeni naturali o sociali oppure spiegare
come funzionano certe cose
persuasione:
promuovere un particolare punto di vista con l’intento di convincere gli
altri
discussione:
presentare argomenti e informazioni da diversi punti di vista
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5.7 Una riflessione su oscillazioni, onde e campi
5.7.1 Oscillazioni
La forza di richiamo "elastica" verso la posizione di equilibrio
- esempi: pendoli, molle ed elastici;
- la forza è, in prima approssimazione, proporzionale allo spostamento e diretta verso la
posizione di equilibrio;
- la forza di richiamo dipende dalle caratteristiche dell'oggetto e dell'interazione che la
produce: è più chiara nel pendolo, in cui l'interazione è esterna, in quanto è l'interazione di
gravità da parte della Terra, meno chiara nella molla in cui l'interazione è interna ed è dovuta
al legame elastico fra gli atomi del solido, che si esplicita nella costante elastica k: F=-kx);
pendolo
posizione di
equilibrio
l
x
Fr
FTp
la forza di richiamo Fr si può
calcolare dai triangoli simili della
figura: Fr : FTp = x: l, dove FTp è la
forza peso.
Di qui si ottiene che
Fr = x FTp / l, cioè la forza di
richiamo è direttamente
proporzionale a x, che, per piccole
oscillazioni, è lo "spostamento"
dalla posizione di equilibrio
elastico
posizione di
equilibrio, x=0
forza di richiamo
elastica F=-kx
posizione con
allungamento x
- spostando il corpo dalla posizione di equilibrio, si immagazzina "energia potenziale di
posizione", dovuta appunto al fatto che il corpo non è nella sua posizione di energia minima;
- nel moto, l'energia di posizione si trasforma periodicamente in energia cinetica e viceversa;
- l'energia cinetica è massima quando il corpo passa per la posizione di equilibrio, è nulla
nella posizione di massimo spostamento (elongazione) dall'equilibrio; l'opposto vale per
l'energia di posizione;
- la somma di energia di posizione e di energia cinetica è l'energia totale che nel moto si
conserva, a meno delle perdite per attriti;
- le forze elastiche di richiamo sono importanti perché su di esse si basa
> la stabilità degli "stati condensati", cioè dello stato liquido e solido: la stabilità non è
infatti basata sul fatto che ogni atomo stia "rigidamente" in una posizione fissa, ma sul
fatto che è richiamato alla posizione di equilibrio da una forza elastica,
> la stabilità delle molecole nello stato gassoso: la stabilità non è infatti basata sul fatto
che ogni atomo della molecola stia "rigidamente" a una distanza fissa dagli altri, ma
sul fatto che è richiamato alla posizione di equilibrio da una forza elastica;
> in entrambi i casi, l'atomo oscilla intorno alla posizione di equilibrio con una ampiezza
di oscillazione che dipende dall'energia totale che ha a disposizione, la quale a sua
volta dipende dalla temperatura del corpo, sia esso solido, liquido o gassoso.
Caratteristiche del moto oscillatorio
- è un moto periodico, cioè un moto in cui si ritorna periodicamente alla stessa posizione;
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- il periodo t del moto è legato alle caratteristiche della forza di richiamo e dell'oggetto che
oscilla (es. nel pendolo t 2 l con l = lunghezza del pendolo, g = accelerazione di
g
gravità; nella molla t 2 m
k
con m = massa attaccata alla molla, k = costante elastica
della molla);
- nei moti oscillatori reali, il moto si discosta dalla stretta periodicità perché, a causa delle
forze di attrito, il periodo tende ad allungarsi a ogni oscillazione fino a diventare
praticamente infinito in presenza di un forte smorzamento;
- l'andamento nel tempo è tipicamente di tipo sinusoidale, sia per la forza che per la posizione
che per la velocità;
- non tutti i moti periodici sono oscillatori: ad esempio un moto rotatorio come quello di un
satellite o quello del pendolo conico non sono "oscillatori", perché la forza che li produce
non è una forza di richiamo intorno a una posizione di equilibrio statico.
5.7.2 Onde
Periodo e lunghezza d'onda: in un'onda la perturbazione (oscillazione, vibrazione, ecc.) si ripete
periodicamente sia nello spazio che nel tempo;
la periodicità spaziale è la "lunghezza d'onda", quella temporale è il periodo;
l'onda viaggia nello spazio con una velocità che è pari al rapporto fra lunghezza d'onda e
periodo; esempio il "la" ha una frequenza f di 400 Hz, la velocità v del suono nell'aria è 300
m/s, quindi =v/f 75 cm;
in un'onda ciò che viaggia non è qualche cosa di materiale, ma è una perturbazione;
perché la perturbazione viaggi nello spazio occorre che ci sia un accoppiamento fra “corpi
vicini”: spostando un corpo dalla sua posizione di equilibrio, anche il corpo vicino risente dello
spostamento e viene lui pure spostato dall'equilibrio (es. un tratto di corda da violino non può
essere spostato dalla posizione di equilibrio senza spostare anche i tratti vicini);
attraverso l’accoppiamento viene trasmessa energia da un punto ai punti vicini: l’energia
trasmessa è quella dell’oscillazione che è alla base della perturbazione; oltre all’energia, viene
trasmessa anche quantità di moto nella direzione in cui l’onda si propaga: l’onda quindi è
sostanzialmente una perturbazione che trasporta energia e quantità di moto;
l'onda elettromagnetica viaggia anche nello spazio vuoto, cioè l'accoppiamento fra un punto
dello spazio e il punto vicino avviene senza che ci sia della materia, ma per la sola presenza dei
"campi" elettrici e magnetici variabili nel tempo (equazioni di Maxwell) e sono i campi che
trasportano energia e quantità di moto;
quando incontra un ostacolo l'onda si riflette; la riflessione è speculare se la superficie di
impatto è perfettamente liscia (ha rugosità minori della lunghezza d'onda);
se l'ostacolo è "trasparente", cioè presenta solo una zona in cui l'onda si propaga con velocità
diversa, oltre alla riflessione si ha rifrazione, cioè parte dell'onda prosegue ma cambia direzione
secondo la legge della rifrazione (sen r/sen i = vr /vi = ni / nr, dove i e r sono gli angoli di
incidenza e di rifrazione che la direzione di propagazione dell'onda forma con la perpendicolare
al piano di separazione fra i due mezzi, vr e vi le velocità di propagazione nei due mezzi)
onde stazionarie: si formano quando ci sono riflessioni multiple e l'onda riflessa si sovrappone
perfettamente all'onda incidente, il che avviene quando le dimensioni del corpo in cui si
propaga l'onda sono multipli interi di mezza lunghezza d'onda.
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5.7.3 Forze che agiscono a distanza e campi
Tipiche forze a distanza sono le forze gravitazionali, elettriche e magnetiche;
la forza si trasmette attraverso un campo, si crea cioè nello spazio che circonda l'oggetto una
situazione potenziale di forza che dipende dalla distanza e dalla grandezza caratteristica
(“carica”) dell'oggetto che crea il campo;
le grandezze caratteristiche del corpo che creano dei campi sono:
> la massa m: crea un campo gravitazionale direttamente proporzionale alla massa,
inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra i corpi (per brevità, ma in modo
che può generare misconcetti, si tende a dire che le forze dipendono dalla distanza fra le
“masse”, come se la massa fosse un ente a sé, mentre è una grandezza fisica che caratterizza
il corpo), diretto verso il punto in cui si trova il corpo (campo attrattivo);
> la carica elettrica q: crea un campo elettrico direttamente proporzionale alla carica elettrica,
inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra i corpi (come per il caso della
massa, per brevità, ma in modo che può generare misconcetti, si tende a dire che le forze
dipendono dalla distanza fra le “cariche”, come se la carica fosse un ente a sé, mentre è una
grandezza fisica che caratterizza il corpo), diretto verso il punto in cui si trova il corpo
(campo attrattivo) se la carica è negativa, diretto verso l'esterno (campo repulsivo) se la
carica è positiva;
> il momento di dipolo magnetico: crea un campo magnetico che è direttamente proporzionale
al momento di dipolo e varia nello spazio in direzione e intensità secondo una legge
complessa (il momento di dipolo magnetico e il campo magnetico sono in realtà
strettamente legati alla carica elettrica e al campo elettrico, quindi il campo elettrico e il
campo magnetico sono descritti da un unico campo, il campo "elettromagnetico");
> vi sono altre grandezze caratteristiche dei corpi che creano altri campi non osservabili a
livello macroscopico (la carica "debole", che è responsabile delle "interazioni deboli" quali
ad esempio i decadimenti radioattivi, la carica "forte" che è responsabile delle "interazioni
nucleari forti" quali ad esempio quelle che agiscono all'interno dei nuclei);
> ci sono quindi in natura 4 campi fondamentali: gravitazionale, elettromagnetico, nucleare
debole, nucleare forte;
una forza a distanza fra due corpi, ad esempio una forza elettrica, viene perciò descritta in due
"passi": il corpo 1, di carica elettrica q1, posto nel punto A crea un campo elettrico E1 in un
certo punto B, il corpo 2, di carica elettrica q2, messo nel punto B sente una forza F12 pari a q2
E1 : la forza è diretta lungo la congiungente dei punti AB; se le cariche sono dello stesso segno
la forza è repulsiva, se hanno segno opposto è attrattiva; il ragionamento vale invertito
pensando al campo E2 generato nel punto A dal corpo di carica q2 messo nel punto B e alla
forza F21 che il corpo di carica q1 sente quando è posto nel punto A:
F21=q1 E2
q1
A
q2
r
F12=q2 E1
B
la forza non agisce quindi direttamente fra i due corpi, ma agisce fra ciascun corpo e il campo
generato dall'altro corpo. Questo passaggio è essenziale per capire come, ad esempio, un
elettrone di un atomo che sta sulla Terra possa interagire con un elettrone che sta sul Sole: in
base alle equazioni di Maxwell, il campo elettromagnetico EeS generato da una "transizione"
dell'elettrone da un livello all'altro di un atomo che sta sul Sole viaggia nello spazio, giunge
sulla Terra, incontra un elettrone legato a un atomo e gli applica una "forza" che lo fa transire a
un livello energetico superiore (la descrizione andrebbe fatta in termini quantistici, quindi
anziché di "forze applicate" occorrerebbe ragionare in termini di "energie scambiate", ma la
sostanza del meccanismo è invariata).
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5.7.4 Alcune considerazioni sul campo elettrico
Il concetto di campo elettrico venne introdotto inizialmente (Faraday, 1830) per campi statici
perché è una grandezza utile ed economica per descrivere il fatto che
- la forza elettrostatica dipende dalla distanza fra i corpi che hanno carica elettrica ed è
direttamente proporzionale al valore delle due cariche elettriche in interazione,
- come per tutte le forze, vale il principio di sovrapposizione, cioè la forza risultante su una certa
carica q che si trova nel punto P di coordinate (x,y,z) è la somma vettoriale delle diverse forze
F1, F2, F3, ecc., generate da diversi corpi dotati di cariche Q1, Q2, Q3, ecc. posti nei punti P1, P2,
P3, ecc.
- dato che le singole forze sono proporzionali a q, anziché sommare le forze conviene sommare i
corrispondenti valori nel punto P del vettore campo elettrico Ei(x,y,z) dovuto all’iesima carica,
per cui la forza risultante sarà il prodotto del campo elettrico risultante Eris(x,y,z) per la carica q,
- il campo Eris(x,y,z) può perciò essere considerato “una caratteristica del punto” e non più come
una forza per unità di carica che agisce su un corpo messo nel punto P;
P3 (corpo 3,
Eris
P1 (corpo 1,
dotato di carica
elettrica Q1)
dotato di carica
elettrica Q3)
E4
E3
P
E2
E1
P2 (corpo 2,
dotato di carica
elettrica Q2)
P4 (corpo 4,
dotato di carica
elettrica Q4)
-
al punto P viene associata anche una “densità di energia immagazzinata nel campo”. Si
dimostra abbastanza facilmente, facendo riferimento al condensatore piano, che l’energia
immagazzinata in un campo elettrico vale, per unità di volume, ½ o 2 (supponendo di
essere nel vuoto o nell’aria, altrimenti occorre moltiplicare per la costante dielettrica relativa),
quindi nel volume V intorno al punto P, l’energia “elettrostatica” Eel varrà:
Eel = ½ o 2 V
(1)
Ma “dove” sta questa energia? In realtà, finché si tratta di campi statici, questa è energia potenziale
elettrica che sta nelle “cariche elettriche” che si trovano sulle armature del condensatore e che
hanno generato il campo elettrico stesso, per cui l’equazione (1) rappresenta solo un modo utile ed
economico per esprimere e calcolare l’energia (così come il campo elettrico nel punto P rappresenta
solo un modo utile ed economico per calcolare la forza elettrostatica, che verrà effettivamente
applicata a un corpo fisico quando verrà posto in P). Si potrebbe fare tutta l’elettrostatica
ragionando su “forze a distanza” anziché su campi elettrici: sarebbe più scomodo, ma
concettualmente non diverso (come del resto fece Newton per le forze gravitazionali).
La grossa differenza, e quindi la necessità di ragionare in termini di campo, si ha quando si passa a
campi elettrici (o magnetici) variabili nel tempo, perché allora si scopre che un campo magnetico
variabile nel tempo genera un campo elettrico (legge di Faraday) e, viceversa, che un campo
elettrico variabile nel tempo genera un campo magnetico (legge dello spostamento di Maxwell) e
che questi due campi così generati viaggiano nello spazio come onde elettromagnetiche, arrivando
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in posti anche lontanissimi dalle cariche elettriche che li hanno generati! E l’energia che questi
campi portano è ancora data dall’equazione (1).
Pertanto, il campo elettrico o il campo magnetico nel punto P(x,y,z) vivono, in un certo senso, di
vita propria, indipendentemente dal corpo fisico, dotato di carica q, che viene posto nel punto P per
scoprirne la presenza o delle cariche stesse che li hanno prodotto. Il motivo per introdurre il
concetto di campo già in elettrostatica o in magnetostatica è perché anche le leggi dei campi statici
sono indispensabili per l’elettrodinamica (la legge di Gauss, ad esempio, non è altro che la legge di
Coulomb riscritta in termini di campo elettrico ed è una delle quattro equazioni di Maxwell).
5.7.5 Esempi di oggetti e semplici esperimenti per "pensare" alle forze a distanza e campi
- l’aquilone magnetico: aiuta a visualizzare la dipendenza del campo dalla distanza;
- i magnetini sullo spiedino e poi sulla bilancia: aiuta a vedere che le forze magnetiche si
propagano nello spazio vuoto e gravano sulla bilancia anche se non c'è contatto;
- la collana magnetica: aiuta a visualizzare come varia il campo magnetico all'interno di una
sferetta che si magnetizza in modo diverso a seconda della posizione dei magneti esterni;
- elettricità amica o nemica: classico esperimento di elettrostatica per esplorare forze di
attrazione e repulsione elettrica.
Descrizioni dettagliate sono disponibili sul sito web http://www.iapht.unito.it/giocattoli alla voce
"Verbania 2004".
5.8 Esercizio
Impostate, su uno dei temi discussi a lezione (oscillazioni, onde, campi e azioni a distanza), una
unità didattica, scegliendo contenuti con significativi aspetti di rilevanza storica o di interesse
"sociale", specificando:
- contesto, strutturazione in ore e modalità di conduzione
- traccia dello sviluppo dell’argomento, con “attacco”, attenzione ai passaggi critici, qualche
considerazione e valutazione quantitativa
- indagine delle pre-conoscenze dei ragazzi e prerequisiti
- obiettivi generali e specifici (non più di tre per tipo!)
- tipo e livello formalizzazione
- modalità di valutazione
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