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Documento di classe - 5 G Fisica FISICA Prof. Angelo Angeletti 1 Documento di classe - 5 G Fisica Premessa L’insegnamento della Fisica nel triennio del Liceo Scientifico, nelle classi sperimentali del P.N.I., si innesta su un biennio dove vengono perseguiti essenzialmente i primi livelli tassonomici degli obiettivi cognitivi, essenzialmente con metodologia induttiva basata generalmente sulla scoperta guidata e relativamente a contenuti che si prestano per la loro intuitività e facilità di verifica sperimentale. L’uso del laboratorio di fisica riveste un ruolo fondamentale nell'insegnamento della fisica per cui l'attività ne ha sempre tenuto conto; lo svolgimento degli argomenti ha generalmente avuto inizio con l’osservazione di una serie di fenomeni e dall’analisi degli stessi si è giunti alla deduzione delle leggi fisiche. In alcune situazioni il laboratorio è stato utilizzato per la verifica di leggi dedotte matematicamente da principi generali. In genere gli esperimenti sono stati svolti dalla cattedra coinvolgendo il più possibile gli studenti nella loro realizzazione. Per la modellizzazione della realtà fisica si è fatto uso della matematica che gli studenti andavano via via acquisendo. Nello svolgimento del programma si è cercato di toccare la totalità degli argomenti previsti dai programmi del PNI tenendo conto della necessità di fornire un quadro, il più possibile completo, delle conoscenze fisiche, fino alle concezioni più recenti. La quasi totalità degli studenti, relativamente ai temi trattati, ha raggiunto i seguenti obiettivi finali: Conoscenza 1. ha acquisito un insieme di nozioni sui concetti fondamentali della fisica: inerzia, campo, particella, onda, ecc.; 2. ha acquisito un insieme di modelli che interpretano i fenomeni fisici attraverso un processo di astrazione sempre più spinto; 3. ha acquisito elementi collegabili alle altre discipline che permettono di avere una visione più ampia della realtà. Competenza 1. sa applicare correttamente alcune tecniche fisico-matematiche (calcolo vettoriale, calcolo algebrico, calcolo differenziale, modelli geometrici); 2. sa formulare ipotesi interpretative dei fenomeni osservati e in alcune situazioni dedurre conseguenze e proporre verifiche; 3. sa fare approssimazioni compatibili con l'accuratezza richiesta e valutare i limiti di tali approssimazioni; 4. sa esaminare dati e ricavare informazioni significative da tabelle, grafici e altra documentazione; 5. sa utilizzare in modo corretto i termini specifici del linguaggio della disciplina; Capacità 1. sa inquadrare in un medesimo schema logico situazioni diverse, riconoscendo analogie e differenze, proprietà varianti ed invarianti; 2. sa distinguere la realtà fisica dai modelli costruiti per la sua interpretazione; 3. è in grado di scegliere tra diverse schematizzazioni esemplificative la più idonea alla soluzione di un problema reale; 4. è in grado si analizzare fenomeni individuando le variabili che li caratterizzano; 5. può comunicare in modo chiaro e sintetico le procedure seguite nelle proprie indagini, i risultati raggiunti e il loro significato. Il raggiungimento di tali obiettivi è stato attuato mediante gli obiettivi specifici immediati descritti nelle Unità Didattiche con una metodologia a spirale nel corso di tutto il quinquennio. Percorso e tempi Si veda il successivo sviluppo delle singole Unità Didattiche Metodi Metodo deduttivo e verifica sperimentale. Alcune leggi fisiche sono state dedotte per via matematica a partire da principi generali e successivamente verificate in laboratorio. Metodo induttivo. Alcune teorie sono state costruite a partire da leggi ricavate sperimentalmente. Strumenti di lavoro Attrezzature di laboratorio Libro di testo: J. S. Walker: FISICA Voll. 2 e 3 – ZANICHELLI Appunti dell'insegnante su: ● Equazioni di Maxwell ed onde elettromagnetiche ● Relatività ● Meccanica Quantistica ● Il Modello Standard ● Astrofisica e Cosmologia 2 Documento di classe - 5 G Fisica Il materiale didattico messo a disposizione degli studenti è reperibile alla pagina internet: www.angeloangeltti.it/materiali_liceo.htm Verifiche Sono stati utilizzati i seguenti tipi di verifiche: colloqui risoluzione scritta di problemi ed esercizi saggio breve Valutazione Per la valutazione si è fatto uso della griglia adottata dal collegio dei docenti ed illustrata nella parte generale del documento del Consiglio di Classe. Moduli e unità didattiche Moduli Elettromagnetismo Relatività Meccanica Quantistica Fisica atomica e nucleare Astrofisica e Cosmologia Unità didattiche UD 01 – Il campo elettrico e la capacità UD 02 – Corrente elettrica e circuiti in corrente continua UD 03 – Magnetismo UD 04 – Flusso del campo magnetico e legge di Faraday UD 05 - Equazioni di Maxwell ed onde elettromagnetiche UD 06 - Relatività ristretta UD 07 – Cenni di relatività generale UD 08 - La crisi della fisica classica UD 09 – I principi della meccanica quantistica UD 10 - Elementi di fisica atomica UD 11 - Elementi di fisica nucleare UD 12 - Elementi di fisica delle particelle UD 13 – Astrofisica UD 14 – Cosmologia 3 Documento di classe - 5 G Fisica ELETTROMAGNETISMO UD01 – IL CAMPO ELETTRICO E LA CAPACITÀ ELETTRICA • • • • • • • • • • • • • • Contenuti La carica elettrica Isolanti e conduttori La legge di Coulomb Il flusso del campo elettrico Il teorema di Gauss per il campo elettrico Moto di una carica in un campo elettrico uniforme La capacità elettrica Il condensatore piano Energia accumulata in un condensatore Condensatori in serie Condensatori in parallelo Collegamenti di condensatori in serie e in parallelo Condensatori con un dielettrico tra le armature Energia immagazzinata nel campo elettrico del condensatore Obiettivi • Descrivere la fenomenologia elementare dell’elettrostatica • Enunciare la legga di Coulomb • Definire il campo elettrico • Scrivere l’espressione per il campo elettrico di una carica puntiforme • Descrivere il campo elettrico uniforme • Definire il flusso del campo elettrico attraverso un superficie ed enunciare il teorema di Gauss • Dimostrare il teorema di Gauss per il campo elettrico nel caso di una carica puntiforme e di una superficie sferica • Definire il lavoro del campo elettrico e il concetto di potenziale elettrico • Definire la capacità elettrica • Descrivere un condensatore piano e calcolarne la capacità • Dimostrare la relazione che esprime l’energia accumulata in un condensatore • Dimostrare l’espressione per la capacità equivalente di condensatori in serie e in parallelo • Descrivere le funzioni di un dielettrico • Risolvere problemi Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Presentazione degli argomenti attraverso un’attività in laboratorio di fisica. • Sistematizzazione teorica delle attività di laboratorio. • Risoluzione di problemi • Verifiche scritte + revisioni Periodo: settembre - ottobre Laboratorio di Fisica • Esperimenti qualitativi e quantitativi sui condensatori; condensatori in serie e in parallelo. Materiali utilizzati • Libro di testo Tipi di verifica • Interrogazioni • Verifica scritta UD02 – CORRENTE ELETTRICA E CIRCUITI IN CORRENTE CONTINUA • • • • • • • • Contenuti La corrente elettrica La resistenza elettrica Prima e seconda legge di Ohm Energia dissipata da una resistenza elettrica (effetto Joule) Resistenze in serie e in parallelo. Principi di Kirchhoff Resistenza interna di un generatore Circuiti RC • • • • • • • • Obiettivi Definire la corrente elettrica Definire la resistenza elettrica Enunciare le leggi di Ohm Calcolare l’energia dissipata da una resistenza elettrica Dimostrare le espressioni per le resistenze in serie e in parallelo Enunciare i principi di Kirchhoff Applicare i principi di Kirchhoff alla risoluzione dei circuiti elettrici Scrivere l’espressione per la corrente in un circuito RC Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Presentazione degli argomenti attraverso un’attività in laboratorio di fisica. • Sistematizzazione teorica delle attività di laboratorio. • Risoluzione di problemi • Verifiche scritte + revisioni Periodo: ottobre - novembre Laboratorio di Fisica • Esperimenti qualitativi e quantitativi sulle leggi di Ohm e sulle resistenze in serie e in parallelo. Materiali utilizzati • Libro di testo Tipi di verifica • Interrogazioni • Verifica scritta 4 Documento di classe - 5 G Fisica UD03 – MAGNETISMO • • • • • • Contenuti Forza agente su una carica elettrica in un campo magnetico Definizione dell’induzione magnetica B. Forza magnetica esercitata su un filo percorso da corrente. Spire e momento magnetico torcente (motore in corrente continua). Teorema di Ampère ed applicazioni (induzione del campo magnetico attorno ad un filo conduttore molto lungo; induzione del campo magnetico all’interno di un solenoide). Forza agente tra conduttori paralleli percorsi da corrente: definizione dell’ampere. Obiettivi • Riconoscere fenomeni magnetici elementari. • Descrivere alcuni campi magnetici anche attraverso la determinazione del valore del vettore di induzione magnetica B. • Riconoscere le leggi che regolano i fenomeni magnetici. • Dedurre le leggi che regolano i fenomeni magnetici. • Riconoscere la natura elettrica dei fenomeni magnetici. • Risolvere semplici problemi. Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Presentazione dell’argomento attraverso l’osservazione di opportuni fenomeni magnetici (in Laboratorio di Fisica). • Sistematizzazione delle attività di laboratorio e teoria sul campo magnetico (in classe). • Risoluzione di problemi (verifiche orali) (in classe) • Verifica scritta Periodo: novembre – dicembre Laboratorio di Fisica • Esperimenti qualitativi sui fenomeni magnetici: campi generati da magneti di diverso tipo e da fili percorsi da corrente; fili percorsi da corrente in campi magnetici; azioni tra fili percorsi da corrente. Bilancia elettromagnetica e bilancia elettrodinamica Materiali utilizzati • Libro di testo. Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta UD04 – FLUSSO DEL CAMPO MAGNETICO E LEGGE DI FARADAY • • • • • • • • • Contenuti Forza elettromotrice indotta Flusso del campo magnetico. Legge di Faraday-Neumann dell’induzione elettromagnetica. Legge di Lenz. F.e.m. indotta in una spira rotante in un campo magnetico: f.e.m. alternata e generatore di corrente alternata. Autoinduzione. Induttanza Trasformatore Energia accumulata nel campo magnetico di un induttore. Obiettivi • Riconoscere fenomeni di induzione magnetica. • Riconoscere gli effetti dell’induzione magnetica. • Riconoscere le leggi dell’induzione magnetica. • Descrivere anche con modelli matematici il fenomeno dell’induzione magnetica. • Descrivere un modello di generatore di corrente alternata (spira ruotante in un campo magnetico). • Ricavare l’energia del campo magnetico. • Descrivere il funzionamento di un trasformatore. • Calcolare l'induttanza di un solenoide • Risolvere semplici problemi. Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Presentazione dell’argomento attraverso l’osservazione di opportuni fenomeni (in Laboratorio di Fisica). • Sistematizzazione delle attività di laboratorio e teoria (in classe). • Risoluzione di problemi (in classe) • Verifica scritta + revisione • Attività di recupero e verifica (se necessaria) Periodo: dicembre Laboratorio di Fisica • Non è stata svolta attività di laboratorio. Materiali utilizzati • Libro di testo Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta 5 Documento di classe - 5 G Fisica UD05 - EQUAZIONI DI MAXWELL ED ONDE ELETTROMAGNETICHE • • • • • • • Contenuti Le equazioni di Maxwell Oscillazioni meccaniche ed elettromagnetiche Onde elettromagnetiche Produzione di un’onda elettromagnetica mediante un dipolo oscillante Velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche Densità di energia del campo elettromagnetico Lo spettro elettromagnetico Obiettivi • Scrivere le equazioni di Maxwell • Illustrare il significato delle equazioni di Maxwell • Illustrare le analogie fra un oscillatore meccanico e un oscillatore elettromagnetico, anche dal punto di vista matematico • Definire le onde elettromagnetiche. • Descrivere la produzione di un’onda elettromagnetica mediante un dipolo oscillante • Determinare la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche • Determinare la densità di energia del campo elettromagnetico • Descrivere lo spettro elettromagnetico. Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Dalla definizione del paradosso di Ampere, si è arrivati alla corrente di spostamento e quindi sono state riassunte le equazioni di Maxwell, il campo elettromagnetico e le onde elettromagnetiche. Periodo: gennaio Materiali utilizzati • Libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta 6 Documento di classe - 5 G Fisica RELATIVITÀ UD06 - RELATIVITÀ RISTRETTA Contenuti • Trasformazioni di Galileo e loro incompatibilità con le leggi dell’elettromagne-tismo • I postulati della relatività ristretta • Le trasformazioni di Lorentz • Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze • Composizione relativistica delle velocità. • Quantità di moto e massa relativistica • Principio di conservazione della massa e energia. Obiettivi • Enunciare il principio di relatività galileiana • Riconoscerne i limiti nell’applicazione all’elettromagnetismo • Enunciare i principi della relatività ristretta • Scrivere ed applicare le trasformazioni di Lorentz • Enunciare le espressioni per la dilatazione dei tempi, la contrazione delle lunghezze e la composizione delle velocità e dedurle matematicamente. • Definire relativisticamente la massa e l’energia • Enunciare il principio di conservazione della massaenergia in relatività ristretta. • Definire la quantità di moto relativistica Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Partendo dal fatto che il campo magnetico dipende dal sistema di riferimento si è fatto notare come la relatività galileiana non è valida per le leggi dell’elettroma-gnetismo. È stato quindi illustrato l’espe-rimento di Michelson e Morley. • Sono stati enunciati i principi della relatività ristretta enunciate, senza dimostrazione le trasformazioni di Lorentz, quindi ricavate alcune conseguenze. Periodo: febbraio Laboratorio di Fisica • Non sono state svolte attività di laboratorio Materiali utilizzati • Il libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica • Interrogazioni • Verifica scritta UD07 – CENNI DI RELATIVITÀ GENEALE Contenuti • Principio di equivalenza • Principio di relatività generale • Deflessione della luce in un campo gravitazionale • Cenni di geometria non euclidea • Precessione del perielio di Mercurio • Cenno al red shift gravitazionale • Esperienza di Shapiro • I buchi neri Obiettivi • Enunciare i principi di equivalenza e della relatività generale • Descrivere i fenomeni che sostengono la validità della teoria della relatività generale • Confrontare criticamente le teorie della relatività galileiana, di quella ristretta e di quella generale • Riconoscere alcune delle principali conseguenze della relatività generale • Descrivere, anche matematicamente i buchi neri Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Partendo dall’equivalenza tra sistema gravitazionale e sistema accelerato sono state enunciate alcune conseguenze e alcuni dei fatti a sostegno della teoria della relatività generale. Periodo: febbraio Laboratorio di Fisica • Non sono state svolte attività di laboratorio Materiali utilizzati • Il libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica • Interrogazioni • Verifica scritta 7 Documento di classe - 5 G Fisica MACCANICA QUANTISTICA UD08 – LA CRISI DELLA FISICA CLASSICA • • • • • Contenuti Il problema del corpo nero e l’ipotesi di Planck L’effetto fotoelettrico e l’ipotesi di Einstein Determinazione della costante di Planck Massa e quantità di moto di un fotone L’effetto Compton Obiettivi • Descrivere la situazione delle conoscenze fisiche alla fine del 1800 • Enunciare il problema corpo nero e le varie ipotesi interpretative della fisica classica • Enunciare l’ipotesi di Planck sull’interpreta-zione dell’emissione del corpo nero • Descrivere l’effetto fotoelettrico ed illustrarne la spiegazione di Einstein • Descrivere i metodi di determinazione della costante di Planck sia mediante l’effetto fotoelettrico, sia mediante i LED • Descrivere l’effetto Compton (no dimostrazione) Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Descrizione e risoluzione del problema del corpo nero, dell’effetto fotoelettrico e dell’effetto Compton. • Verifica scritta (simulazione terza prova) Periodo: marzo Laboratorio di Fisica • Non sono state effettuate attività di laboratorio Materiali utilizzati • Attrezzature di laboratorio • Il libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta UD09 - I PRINCIPI DELLA MECCANICA QUANTISTICA • • • • • • Contenuti Dualismo onda-corpuscolo Ipotesi di de Broglie e diffrazione degli elettroni Principio di indeterminazione e sue varie formulazioni Principio di complementarità Funzione d’onda Equazione di Schrödinger Obiettivi • Esporre il problema ondacorpuscolo • Enunciare l’ipotesi di de Broglie • Descrivere il fenomeno della diffrazione degli elettroni. • Enunciare il principio di indeterminazione di Heisenberg e valutarne le conseguenze fisiche • Enunciare il principio di complementarità • Esporre il concetto di funzione d’onda • Ricavare l’equazione di Schrödinger e applicarla al caso dell’elettrone confinato in una scatola Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Partendo dall'ipotesi di de Broglie si è analizzato il problema del dualismo onda-corpuscolo introducendo i principi della meccanica quantistica. È stato quindi introdotto il concetto di funzione d’onda. • Verifica scritta Periodo: marzo Laboratorio di Fisica • Diffrazione degli elettroni Materiali utilizzati • Il libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta 8 Documento di classe - 5 G Fisica FISICA ATOMICA E NUCLEARE UD10 – ELEMENTI DI FISICA ATOMICA Contenuti • Modello atomico di Thomson • Modello atomico di Ruterford • Modello atomico di Bohr per l’atomo di idrogeno • Modello quantistico per l’atomo di idrogeno • Numeri quantici e principio di esclusione di Pauli Obiettivi • Descrivere i modelli atomici di Thomson, di Ruterford, di Bohr • Analizzare le capacità di tali modelli di rappresentare la realtà fisica • Enunciare il concetto di numero quantico e descriverli • Enunciare il principio di esclusione di Pauli • Descrivere le righe dello spettro dell’atomo di idrogeno • Dimostrare la quantizzazione dei livelli energetici nell’atomo di Bohr • Descrivere il meccanismo per la produzione delle righe spettrali Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Vengono illustrati i modelli atomici di Thomson, di Ruterford e di Bohr mettendone in evidenza le difficoltà sperimentali. • È stato introdotto il concetto di numero quantico e, utilizzando il principio di esclusione di Pauli, è stata descritta la tavola periodica degli elementi • Illustrazione del meccanismo di produzione dello spettro atomico • Verifica Periodo: marzo – aprile Laboratorio di Fisica • Spettri atomici. Materiali utilizzati • Il libro di testo Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta UD11 – ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE • • • • • • Contenuti I costituenti e la struttura del nucleo atomico La radioattività Tempo di dimezzamento Difetto di massa ed energia di legame. Legge del decadimento radioattivo Fissione nucleare e fusione nucleare (ciclo pp e cenno sul ciclo CNO) • • • • • • • • Obiettivi Descrivere il modello nucleare. Giustificare la necessità di introduzione della forza nucleare forte. Illustrare il problema del difetto di massa. Definire l’energia di legame Descrivere i fenomeni di radioattività naturale. Descrivere i decadimenti α, β, γ. Illustrare la fissione nucleare. Illustrare la fusione nucleare (il ciclo pp e il ciclo CNO). Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Partendo dal problema della stabilità del nucleo sono stati introdotti i concetti di difetto di massa e di energia di legame, quindi sono stati descritti i fenomeni di emissione radioattiva e la fusione nucleare (ciclo pp e un cenno sul ciclo CNO) Periodo: marzo – aprile Laboratorio di Fisica • Non sono state svolte attività di laboratorio Materiali utilizzati • Libro di testo. Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta UD12 – ELEMENTI DI FISICA DELLE PARTICELLE Contenuti Obiettivi • Le “particelle elementari” e • Classificare le particelle eleloro classificazione mentari • La materia e i fermioni • Descrivere le forze della natura in termini di scambi di bo• Le interazioni (gravitazionale, soni vettori elettromagnetica, forte, debole) e i bosoni vettori • Descrivere il modello standard • Il modello standard e le teorie di unificazione. Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Lezione frontale in cui sono stati sviluppati i contenuti Periodo: aprile Laboratorio di Fisica • Non sono state svolte attività di laboratorio Materiali utilizzati • Libro di testo • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica Interrogazioni Verifica scritta 9 Documento di classe - 5 G Fisica ASTROFISICA E COSMOLOGIA UD13 – ASTROFISICA • • • • • Contenuti Classificazione delle stelle Equazioni della struttura stellare Evoluzione delle stelle Calcolo di alcuni parametri fisici del sole Struttura della Galassia • • • • • Obiettivi Classificare le stelle Descrivere le equazioni della struttura stellare Descrivere le principali fasi dell’evoluzione stellare Calcolare il valore di alcuni parametri fisici del sole. Descrivere la struttura della Galassia Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Lo sviluppo dell’unità didattica ha seguito la scansione dei contenuti Periodo: aprile – maggio Laboratorio di Fisica • Non sono state effettuate attività di laboratorio • Visita all’Osservatorio Astronomico Materiali utilizzati • Appunti dell’insegnante Tipi di verifica Interrogazioni UD13 – COSMOLOGIA • • • • Contenuti Cenni sulla struttura dell’Universo La legge di Hubble. Modelli di universo Il big bang e il modello standard di evoluzione dell’Universo • • • • Obiettivi Descrivere la struttura dell’Universo Enunciare la legge di Hubble. Descrivere i principali modelli di universo Illustrare il modello standard del big bang e le fasi principali dell’evoluzione dell’Universo Metodi, spazi, mezzi, tempi, verifiche Fasi di sviluppo dell’Unità Didattica • Lo sviluppo dell'unità didattica ha seguito la scansione dei contenuti Periodo: maggio Laboratorio di Fisica • Non sono state effettuate attività di laboratorio Materiali utilizzati • Appunti dell'insegnante Tipi di verifica Interrogazioni Il docente prof. Angelo Angeletti 10
