IL NOSTRO MONDO
PROGRAMMA PER L'INSEGNAMENTO
DELLA FISICA NEI LICEI
Gruppo di Lavoro della Commissione Didattica
Congiunta AIF±MIUR±SAIt±SIF
1. ± Introduzione
La definizione degli Obiettivi Specifici di Apprendimento (OSA) per la fisica intende fornire
un quadro di riferimento per lo sviluppo coerente di conoscenze e abilitaÁ che coniughino gli
aspetti cognitivi con quelli piuÁ specificamente
culturali della disciplina: da un lato la disciplina
come strumento di conoscenza scientifica della
realtaÁ, dall'altro l'analisi di come la fisica si
colloca all'interno del pensiero scientifico e di
come, interagendo e integrandosi con altre forme di pensiero (matematico, filosofico, tecnologico, ...) contribuisce all'evoluzione storica
delle idee.
L'obiettivo per la scuola secondaria eÁ quello
di procedere, attraverso un processo giaÁ iniziato
nella scuola primaria e nella secondaria inferiore, al completamento della acquisizione di
una consapevolezza diretta e fenomenologica
degli aspetti fisici del mondo, a una loro gestione efficace in termini di enti astratti: ``grandezze fisiche astratte'' basate su relazioni invarianti fra variabili osservate; ``sistemi fisici
astratti'' basati sulla loro efficacia come modelli
intercontestuali; ``metodi di formalizzazione''
che offrono il supporto essenziale all'intero
processo di concettualizzazione fisica.
L'obiettivo prioritario eÁ quello di costruire una
``scienza per il cittadino'' evidenziando che la
conoscenza scientifica eÁ un capire per ``modelli''
i quali permettono di descrivere, interpretare e
indirizzare l'esperienza quotidiana, di costruire e
progressivamente approfondire un'interpretazione strutturata dei fatti, e di progettare efficaci
interventi mirati e strumenti tecnologici.
La scelta di porre al centro del processo di
costruzione della conoscenza fisica la realtaÁ fenomenologica, che fornisce sia la base di partenza sia il punto di riferimento a cui correlare i
costrutti teorici, ha guidato la strutturazione
degli OSA per la fisica nei Licei in quattro aree
fenomenologiche (Fenomeni Meccanici, Fenomeni Termici, Fenomeni Elettromagnetici,
Fenomeni Luminosi) che individuano modi di
guardare ai fenomeni, selezionare proprietaÁ e
relazionare variabili per saper descrivere e
spiegare. A queste tabelle se ne aggiungono altre
tre: la prima (Strumenti, Modelli e Procedure)
che descrive conoscenze e abilitaÁ legate alle
procedure e agli strumenti della indagine
scientifica; la seconda (Terra e Universo) che
descrive concetti e applicazioni della fisica
nell'astronomia e nell'astrofisica; la terza
(Struttura della Materia, Particelle e Campi)
che presenta il percorso di conoscenza della
materia dalle sue proprietaÁ macroscopiche alla
sua struttura microscopica.
La scelta di presentare ordinate per ``fenomenologie'' le Conoscenze e AbilitaÁ, che costituiscono gli OSA per la fisica, non vuole indicare una via sequenziale nello svolgere l'attivitaÁ didattica; anzi, si ritiene che l'esperienza
didattica dei docenti e la sensibilitaÁ nel cogliere
le varie opportunitaÁ , possono indicare piuÁ strade ugualmente efficaci per la progettazione di
percorsi didattici.
La definizione degli OSA qui riportati si fonda
su due presupposti:
La formazione in fisica eÁ parte integrante dell'educazione scientifica del cittadino che deve
avere inizio nella scuola primaria, procedere
nella scuola secondaria inferiore e vedere nei licei il suo completamento concettuale e formale.
Conoscenze e abilitaÁ debbono includere scoperte e problemi della fisica contemporanea
affinche la formazione scolastica possa rendere
i cittadini attori consapevoli delle scelte scientifiche e tecnologiche richieste alla societaÁ di
oggi.
Per le ragioni suddette, gli OSA per la scuola
secondaria di secondo grado rappresentano una
continuitaÁ rispetto a quelli previsti per la scuola
secondaria di primo grado e la scuola primaria.
Essi devono essere intesi, percioÁ, come continuazione, diversificazione e progressione nella
formalizzazione matematica e nell'attenzione
per le strutture specificamente disciplinari della
fisica.
27
IL NUOVO SAGGIATORE
2. ± Obiettivi specifici di apprendimento della fisica nei licei
STRUMENTI, MODELLI
E
PROCEDURE
I contenuti di questa tabella indicano abilitaÁ di processo che devono accompagnare gli studenti
lungo tutto il percorso in fisica. In quanto tali non debbono essere concentrati in un unico periodo ma
distribuiti lungo tutto l'arco del 1ë e 2ë biennio.
28
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Esplorare, misurare, comunicare, interpretare
± Il metodo sperimentale: osservare, formulare ipotesi,
sperimentare, interpretare, formulare leggi.
± La definizione operativa delle grandezze fisiche: grandezze scalari e vettoriali; grandezze intensive ed estensive.
± UnitaÁ di misura e dimensionalitaÁ delle grandezze fisiche.
Il sistema internazionale di misura (SI).
± Leggi fenomenologiche e leggi teoriche.
± Formulazione di modelli descrittivi ed interpretativi.
± Procedure di utilizzazione di fogli elettronici e altri
strumenti informatici per la modellizzazione di fenomeni
fisici.
± Potere predittivo e limiti di validitaÁ di un modello.
Esplorare, misurare, comunicare, interpretare
± Descrivere un fenomeno fisico individuandone le variabili rilevanti.
± Predire relazioni tra variabili.
± Valutare le caratteristiche degli strumenti di misura:
portata, sensibilitaÁ, eventuale frequenza di campionamento.
± Individuare le caratteristiche di trasduzione di alcuni
strumenti.
± Individuare la differenza tra metodi di misurazione diretti e indiretti.
± Applicare semplici algoritmi per determinare l'incertezza di misure indirette.
± Valutare, in situazioni sperimentali diverse, l'attendibilitaÁ dei valori misurati: intervallo d'incertezza, precisione.
± Leggere e costruire, manualmente e con l'ausilio di
strumenti informatici, grafici cartesiani, istogrammi e
tabelle a piuÁ entrate.
± Tracciare, manualmente e con l'ausilio di strumenti informatici, linee di tendenza di dati sperimentali linearizzati, determinando i valori di coefficienti e intercette e
interpretandone i significati fisici.
± Usare modelli matematici per descrivere le relazioni tra
le variabili coinvolte in un dato fenomeno.
± Utilizzare i rapporti incrementali e l'integrazione numerica per elaborare semplici modelli di fenomeni.
2.1. ± Obiettivi per il 1ë Biennio di tutti i Licei
1) FENOMENI MECCANICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Interazione e forza
± Progettare ed eseguire esperimenti per misurare le intensitaÁ delle forze agenti su corpi ed esprimere i risultati
nelle corrette unitaÁ di misura.
± Sommare e scomporre forze.
± Individuare in modo grafico e sperimentale il baricentro
di corpi di forma semplice.
± Misurare la forza d'attrito tra solidi in situazioni statiche
e dinamiche.
± Individuare e descrivere le interazioni tra corpi vincolati
e vincoli.
± Descrivere l'effetto prodotto dall'applicazione di coppie
di forze ed effettuare misurazioni per determinare il
Aspetti storici
momento risultante in situazioni di equilibrio.
± Evoluzione dei concetti di massa, di forza e di intera± Realizzare, misurare e discutere situazioni di moto in cui
zione.
la risultante delle forze eÁ nulla o diversa da zero.
± Rilevare moti di caduta di corpi diversi e fare ipotesi
sulle cause di eventuali differenze riscontrate.
± Eseguire esperimenti sulla conservazione della quantitaÁ
di moto in sistemi isolati.
± Spiegare, con riferimento a esempi concreti, la connessione tra conservazione della quantitaÁ di moto e terzo
principio della dinamica.
Interazione e forza
± Forze come descrittori delle interazioni fra corpi (meccaniche, elettriche, magnetiche).
± Terzo principio della dinamica.
± Massa e peso.
± Attrito e resistenza del mezzo.
± Momento di una forza e di una coppia di forze.
± Equilibrio tra forze in situazioni statiche.
± Primo e secondo principio della dinamica.
± Impulso della forza e variazione della quantitaÁ di moto.
Sistemi isolati: conservazione della quantitaÁ di moto.
IL NOSTRO MONDO
Spazio, tempo, moto
Spazio, tempo, moto
± Sistemi di riferimento spazio-temporali e descrizione dei ± Misurare distanze e intervalli di tempo con metodi diversi; esprimere le misure in unitaÁ di misura diverse.
moti.
± Rappresentare e descrivere le traiettorie di uno stesso
± Spostamento, velocitaÁ e accelerazione come vettori.
moto visto da riferimenti spaziali diversi.
± Moto relativo e composizione delle velocitaÁ.
± Distinguere tra velocitaÁ medie e istantanee.
± Moti periodici e oscillatori.
± Rappresentare moti vari osservati nella vita quotidiana
in grafici (s, t) e (v, t) e utilizzarli per risolvere problemi.
Aspetti storici
± Ricavare l'equivalenza tra rappresentazioni grafiche e
Galilei e la nascita del metodo sperimentale.
algebriche di moti uniformi e vari.
± Applicare le proprietaÁ vettoriali di spostamento, velocitaÁ
e accelerazione per analizzare moti in due e in tre dimensioni.
± Descrivere situazioni di moto relativo e comporre velocitaÁ in una e in due dimensioni.
± Ricavare vettorialmente direzione e verso dell'accelerazione per moti qualsiasi su traiettoria curva e applicare i
risultati al caso del moto circolare uniforme.
± Misurare la frequenza di fenomeni periodici con riferimento alla misurazione del tempo.
± Misurare posizioni, velocitaÁ e accelerazioni di un corpo e
porle in relazione con le forze agenti.
Onde meccaniche
Onde meccaniche
± Propagazione di perturbazioni nella materia: vari tipi di ± Produrre onde impulsive in una e due dimensioni, descriverne qualitativamente i caratteri, misurarne le veonde.
locitaÁ di propagazione.
± Frequenza, intensitaÁ e sovrapposizione di onde armoni± Produrre, osservare e descrivere fenomeni di riflessione
che.
e di rifrazione di onde.
± Principio di sovrapposizione e interferenza.
± Descrivere le proprietaÁ delle onde armoniche in rela± Riflessione e rifrazione.
zione alla sorgente e al mezzo: frequenza, ampiezza,
± IntensitaÁ del suono e sua misura. Timbro e altezza del
velocitaÁ di propagazione, lunghezza d'onda, fase.
suono.
± Misurare l'intensitaÁ del suono in funzione della distanza
dalla sorgente ed esprimerla usando la scala dei deciAspetti storici
bel.
± L'evoluzione storica della comprensione dei fenomeni
± Riconoscere
forme d'onda risultanti dalla sosonori.
vrapposizione di onde armoniche di uguale o diversa
frequenza.
± Caratterizzare un segnale attraverso il suo spettro di
frequenze.
Energia e lavoro
Energia e lavoro
± Individuare e descrivere, con esempi tratti dalla vita
Lavoro e trasferimento di energia.
quotidiana, situazioni in cui l'energia meccanica si preEnergia potenziale in configurazioni diverse.
senta come cinetica e come potenziale (elastica o graEnergia dei corpi in movimento.
vitazionale) e diversi modi di trasferire, trasformare e
Conservazione e dissipazione dell'energia meccanica.
immagazzinare energia.
Bilanci energetici. Rendimento dei trasferimenti di
± Calcolare, anche con l'aiuto di grafici (F, x), il lavoro di
energia.
una forza, esprimerlo nelle corrette unitaÁ di misura e
± Potenza.
metterlo in relazione con i trasferimenti di energia avvenuti.
Aspetti storici
± Evoluzione storica del concetto di energia: il moto per- ± Leggere, costruire e interpretare schemi grafici che
rappresentano flussi di energia tra sistemi interagenti.
petuo e il principio di conservazione dell'energia.
± Servirsi della conservazione dell'energia meccanica per
analizzare situazioni anche complesse in sistemi con
attriti trascurabili, tra cui il moto di corpi che si muovono nello spazio interplanetario.
± Applicare il principio di conservazione dell'energia alla
soluzione di semplici problemi anche in presenza di
forze dissipative.
± Descrivere il funzionamento di macchine semplici.
± Misurare in casi semplici la potenza utile di macchine e
del corpo umano ed esprimere il risultato nelle corrette
unitaÁ di misura.
±
±
±
±
±
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IL NUOVO SAGGIATORE
2) FENOMENI TERMICI
Á
ABILITA
CONOSCENZE
Processi ed equilibri
± Descrivere fenomeni in cui avviene un trasferimento di
energia in presenza di una differenza di temperatura.
± Misurare quantitaÁ di calore ed esprimere i risultati nelle
corrette unitaÁ di misura.
± Rilevare temperature in diversi fenomeni (di
riscaldamento, raffreddamento, cambiamento di stato) e
analizzarne l'andamento in funzione del tempo.
± Realizzare esperimenti per confrontare la conducibilitaÁ
termica di diversi materiali.
± Misurare variazioni di pressione, volume e temperatura
nei gas e cercare le relazioni tra i dati.
± Misurare il calore specifico di diversi materiali.
Aspetti storici
± Teoria del calorico e primi sviluppi della teoria termo- ± Misurare il rapporto joule/caloria.
± Descrivere i flussi di energia occorrenti per mantenere
dinamica.
mediamente costante la temperatura del pianeta Terra.
Processi ed equilibri
± Equilibrio termico e temperatura.
± Differenze di temperatura e flusso di energia termica: il
calore.
± CapacitaÁ termica e calore specifico.
± ConducibilitaÁ termica, isolanti e conduttori.
± Stati della materia e cambiamenti di stato.
± Scala assoluta di temperatura ed equazione di stato dei
gas.
± Esperimento di Joule e primo principio della termodinamica.
3) FENOMENI ELETTRICI
E
MAGNETICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Forze elettriche e magnetiche
± Forze tra cariche elettriche. Legge di Coulomb.
± CapacitaÁ elettrica.
± Differenza di potenziale elettrico.
± IntensitaÁ di corrente.
± Isolanti e conduttori: solidi, liquidi e gassosi.
± Resistenza elettrica. Legge di Ohm.
± Potenza elettrica. Potenza dissipata. Effetto Joule.
± Forze magnetiche (fra magneti, fra corrente elettrica e
magnete, fra correnti elettriche).
Forze elettriche e magnetiche
± Eseguire esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione tra cariche elettriche.
± Risolvere problemi sulle forze reciproche agenti su due o
piuÁ cariche elettriche puntiformi.
± Eseguire e interpretare esperimenti in cui si evidenziano
fenomeni di induzione e di polarizzazione elettrostatica.
± Realizzare semplici circuiti elettrici con alimentatori,
carichi ohmici, interruttori, deviatori, collegamenti in
serie e parallelo.
± Misurare intensitaÁ di corrente, differenze di potenziale e
resistenze elettriche, utilizzando le corrette unitaÁ di misura e riconoscendo relazioni di conservazione e di
proporzionalitaÁ.
± Riconoscere sperimentalmente materiali isolanti e conduttori dell'elettricitaÁ.
± Misurare variazioni di resistenza elettrica con la temperatura.
± Spiegare il funzionamento del condensatore.
± Misurare i tempi di scarica di un condensatore in un
circuito RC ed elaborare un semplice modello descrittivo dei dati.
± Eseguire esperimenti in cui si evidenziano forze di attrazione e repulsione magnetica.
± Realizzare una elettrocalamita.
± Spiegare l'andamento del campo geomagnetico.
Aspetti storici
± Le origini della teoria dell'elettricitaÁ e del magnetismo.
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4) FENOMENI LUMINOSI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Luce
± Realizzare esperienze di riflessione, rifrazione e diffusione e descriverle utilizzando il modello dell'ottica
geometrica.
± Spiegare la trasmissione di luce mediante fibre ottiche.
± Misurare distanze focali e rapporti d'ingrandimento lineari e angolari.
± Utilizzare microscopi, cannocchiali e telescopi e descriverne il funzionamento.
± Misurare intensitaÁ luminose incidenti, riflesse e trasmesse da corpi trasparenti in funzione del loro spessore
Aspetti storici
e della distanza dalla sorgente, utilizzando le relative
± Modelli interpretativi della fenomenologia di propagaunitaÁ di misura.
zione della luce.
± Evidenziare sperimentalmente alcune proprietaÁ dell'occhio umano.
± Misurare il riscaldamento prodotto dalla radiazione (visibile e infrarossa) emessa da una lampadina.
Luce
± Sorgenti luminose e propagazione della luce.
± Ottica geometrica e formazione di immagini.
± Principio di Fermat del tempo minimo di propagazione.
± Dispersione della luce e spettro della luce visibile, infrarossa e ultravioletta.
± Illuminazione di un corpo: intensitaÁ luminosa riflessa,
diffusa, trasmessa e assorbita. I colori dei corpi.
± Meccanismo della visione.
IL NOSTRO MONDO
5) TERRA
E
UNIVERSO
Á
ABILITA
CONOSCENZE
La Terra e il Sistema Solare
La Terra e il Sistema Solare
± Metodi di misurazione di grandi distanze. UnitaÁ di misura ± Spiegare le differenze tra misure del tempo ``naturali'' e
``convenzionali'' e le necessitaÁ che le hanno determinate.
astronomiche.
± I moti della Terra: rotazione, precessione, rivoluzione. ± Descrivere misure eseguibili con metodi di triangolazione, parallasse e con metodi radar, dandone esempi e
± Modelli geocentrico ed eliocentrico del sistema solare.
argomentandone i campi di applicabilitaÁ.
± Sistemi di riferimento astronomici.
± Osservare in modo sistematico i moti apparenti del Sole,
della Luna, dei pianeti, delle stelle, utilizzando le coorAspetti storici
dinate geografiche e astronomiche.
± La misurazione del tempo e la suddivisione del giorno e
± Riconoscere e descrivere il moto degli astri; spiegare i
dell'anno nelle antiche societaÁ e oggi.
moti apparenti in termini di sistemi di riferimento geo± Il passaggio dal sistema geocentrico (geostatico) al sicentrico ed eliocentrico.
stema eliocentrico.
± Descrivere strumenti ottici che consentono di studiare il
cielo da Terra (telescopi rifrattori e riflettori) e il loro
ruolo nel miglioramento della visione dell'Universo fisico e nel progresso delle conoscenze scientifiche.
6) STRUTTURA
DELLA
MATERIA
Á
ABILITA
CONOSCENZE
Dalle proprietaÁ dei materiali alla struttura microscopica della materia
± Individuare grandezze fisiche (densitaÁ, elasticitaÁ, plasticitaÁ , viscositaÁ , calore specifico, conducibilitaÁ termica
o elettrica) indicative della struttura microscopica della
materia.
± Misurare, con opportuni metodi, la densitaÁ di corpi solidi, liquidi e gassosi al fine di osservarne la variazione
nei passaggi di stato.
± Descrivere e argomentare gli indizi che supportano l'ipotesi atomico-molecolare della materia e le idee sulla
struttura degli atomi.
Aspetti storici
± L'evoluzione della teoria atomico-molecolare: dalla chi- ± Individuare fenomeni elettrici o magnetici come spie
della esistenza di cariche negli atomi.
mica alla fisica atomica.
± Descrivere gli esperimenti di Thomson e Millikan in relazione alla scoperta dell'elettrone e alla misura della
carica elementare.
± Discutere i modelli atomici di Thomson e Rutherford alla
luce dell'esperimento di Geiger e Marsden.
± Riconoscere l'ordine di grandezza delle dimensioni delle
molecole, degli atomi e dei nuclei.
Dalle proprietaÁ dei materiali alla struttura microscopica della materia
± ProprietaÁ dei materiali in termini di fenomenologie e
grandezze fisiche macroscopiche indicative della loro
struttura microscopica.
± Modello atomico-molecolare della materia dal punto di
vista fisico-chimico per solidi, liquidi e gas.
± Cariche elettriche nella materia.
± L'elettrone e le sue proprietaÁ.
± Modello di Rutherford: elettroni e nuclei atomici.
2.2. ± Integrazioni per il 1ë Biennio dei Licei Scientifico e Tecnologico
3) FENOMENI ELETTRICI
E
MAGNETICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Forze elettriche e magnetiche
± Nodi e maglie nei circuiti elettrici.
Forze elettriche e magnetiche
± Riconoscere in circuiti semplici la conservazione della
corrente (prima legge di Kirchhoff).
± Risolvere semplici problemi relativi al bilancio energetico del circuito elettrico (seconda legge di Kirchhoff).
± Lampade e rendimenti luminosi.
31
IL NUOVO SAGGIATORE
2.3. ± Obiettivi per il 2ë Biennio di tutti i Licei
1) FENOMENI MECCANICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Forza, moto e relativitaÁ
± Tipi di forze ed equazioni del moto.
± Campo gravitazionale come esempio di campo conservativo.
± Sistemi di riferimento inerziali e relativitaÁ galileiana.
± Sistemi di riferimento non inerziali e forze apparenti.
± Limiti di applicabilitaÁ della relativitaÁ galileiana.
± VelocitaÁ della luce nel vuoto.
± Dilatazione del tempo, contrazione delle lunghezze, simultaneitaÁ.
± QuantitaÁ di moto ed energia relativistiche. La relazione
fra massa ed energia e le sue implicazioni.
Forza, moto e relativitaÁ
± Esplorare al calcolatore soluzioni di semplici equazioni
del moto ottenute con il metodo delle differenze finite.
± Applicare le proprietaÁ conservative del campo gravitazionale alla risoluzione di problemi.
± Descrivere la differenza tra sistemi inerziali e non inerziali dando esempi degli uni e degli altri.
± Distinguere con criteri appropriati le forze apparenti da
quelle attribuibili a interazioni.
± Spiegare perche i corpi in caduta libera sono in condizione di assenza di peso e perche i satelliti artificiali intorno alla Terra e i pianeti intorno al Sole sono in caduta
libera.
± Spiegare perche le conclusioni della relativitaÁ ristretta
su simultaneitaÁ , dilatazione dei tempi e contrazione delle
lunghezze sono conseguenza dell'invarianza della velocitaÁ della luce nel vuoto.
± Discutere l'effetto Doppler luminoso e confrontarlo con
l'effetto Doppler acustico.
± Descrivere effetti relativistici e calcolarne l'ordine di
grandezza, valutando le condizioni di applicabilitaÁ della
meccanica newtoniana.
± Illustrare l'equivalenza massa-energia descrivendo e
analizzando fatti e fenomeni appropriati.
Aspetti storici
± L'origine della teoria della relativitaÁ ristretta.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
± Oscillazioni forzate e risonanza.
± Aspetti dinamici ed energetici di sistemi di due o piuÁ
oscillatori accoppiati.
± Aspetti dinamici ed energetici della propagazione di
onde in sistemi continui.
± Comportamenti discreti dei sistemi continui: gli stati
stazionari.
32
Aspetti storici
± L'importanza storica delle oscillazioni nella fisica.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
± Determinare sperimentalmente o attraverso un modello,
la frequenza propria di un sistema oscillante.
± Spiegare la relazione tra l'ampiezza di oscillazioni forzate e la frequenza della sollecitazione applicata.
± Esplorare le proprietaÁ cinematiche, dinamiche ed energetiche di semplici sistemi di due oscillatori accoppiati.
± Esplorare, con l'aiuto di simulazioni al calcolatore, il
comportamento di sistemi di piuÁ di due oscillatori accoppiati.
± Analizzare la propagazione di onde impulsive in sistemi
diversi sia sperimentalmente sia attraverso l'uso di simulazioni al calcolatore.
± Descrivere le caratteristiche cinematiche e dinamiche
delle onde stazionarie.
± Analizzare onde stazionarie di frequenze diverse sia
sperimentalmente sia attraverso l'uso di simulazioni al
calcolatore.
± Descrivere la propagazione delle onde sismiche spiegando l'effetto della struttura interna della Terra.
2) FENOMENI TERMICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Processi termodinamici
± Descrivere processi e trasformazioni termodinamiche.
± Illustrare il significato microscopico della pressione e
della temperatura.
± Descrivere e interpretare processi termodinamici mettendo in evidenza la conservazione dell'energia e la sua
degradazione.
± Descrivere una macchina frigorifera e confrontarne il
funzionamento con quello di altre macchine termiche.
Aspetti storici
± Sviluppo storico delle idee che hanno portato alla for- ± Descrivere cicli termodinamici naturali: scambi di energia sulla Terra e della Terra con l'ambiente extramulazione delle leggi della termodinamica.
terrestre, fonti di energia, ``effetto serra''.
± Invenzione della macchina a vapore.
± La gara verso le basse temperature.
Processi termodinamici
± Stati e trasformazioni termodinamiche.
± Descrizione microscopica dei gas.
± Equipartizione dell'energia.
± Secondo principio della termodinamica ed entropia.
± Cicli termodinamici e rendimento di una macchina termica.
IL NOSTRO MONDO
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Campi e onde elettromagnetiche
± Rappresentare graficamente i vettori di campo elettrico
generati da una o piuÁ sorgenti puntiformi.
± Evidenziare sperimentalmente le tracce delle superfici
equipotenziali associate al campo elettrico e verificare le
loro relazioni direzionali con le linee del campo.
± Descrivere somiglianze e differenze tra campi elettrostatici e campi gravitazionali.
± Confrontare le caratteristiche di campi elettrici e maAspetti storici
gnetici.
± Lo sviluppo della teoria classica dell'elettromagnetismo.
± Evidenziare sperimentalmente e rappresentare grafica± L'ipotesi dell'etere.
mente i vettori di campo magnetico generati da correnti
elettriche di semplice geometria.
± Effettuare esperimenti che mettono in evidenza fenomeni di induzione elettromagnetica.
± Descrivere i modi di trasformazione di energia elettrica
in meccanica e viceversa e il funzionamento di dispositivi elettromagnetici.
± Individuare le proprietaÁ di sorgenti e di rivelatori di onde
elettromagnetiche.
± Classificare le radiazioni elettromagnetiche e descriverne le interazioni con la materia (anche vivente) in
base alle diverse lunghezze d'onda.
Campi e onde elettromagnetiche
± Campo elettrico: definizione e proprietaÁ .
± Campo magnetico: definizione e proprietaÁ.
± Campi variabili nello spazio e nel tempo.
± Induzione e autoinduzione. Legge di Faraday-Neumann.
± Onde elettromagnetiche.
± Raggi X e raggi gamma.
4) FENOMENI LUMINOSI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Onde luminose e spettri
Onde luminose e spettri
± Fenomeni di diffrazione e interferenza.
± Osservare e spiegare la diffrazione della luce attraverso
± Fenomeni di polarizzazione lineare.
fenditure semplici e multiple.
± Emissione e assorbimento della luce dal punto di vista ± Osservare e spiegare fenomeni d'interferenza della luce
microscopico.
prodotte da intercapedini e pellicole sottili.
± Spettri continui e a righe.
± Spiegare perche la diffrazione e l'interferenza della luce
± Effetto fotoelettrico e ipotesi del quanto di luce.
dimostrano la sua natura ondulatoria.
± Misurare la frequenza di una luce monocromatica da
Aspetti storici
fenomeni di diffrazione o di interferenza.
± Operare con lamine polarizzatrici e analizzatrici per
± Evoluzione storica delle idee sulla natura della luce.
evidenziare il comportamento della luce polarizzata.
± La misura della velocitaÁ della luce.
± Riconoscere nella polarizzazione un indizio a favore
della luce come onda trasversale.
± Interpretare i colori della luce visibile in termini di frequenze e di lunghezze d'onda.
± Individuare differenze e somiglianze negli spettri di
emissione di diverse sorgenti.
5) TERRA
E
UNIVERSO
CONOSCENZE
Á
ABILITA
La gravitazione universale e la dinamica del Sistema
solare
± Il moto dei pianeti e la gravitazione universale.
± Aspetto predittivo ed esplicativo della meccanica newtoniana in relazione a fenomeni gravitazionali complessi.
± Spettroscopia nello studio delle caratteristiche fisiche
delle stelle.
La gravitazione universale e la dinamica del Sistema
Solare
± Applicare la legge di gravitazione universale e i princõÂpi
di conservazione dell'energia al moto dei pianeti.
± Confrontare gli spettri di elementi chimici con alcuni
spettri stellari ed evidenziare le caratteristiche comuni.
Aspetti storici
± La scoperta di Nettuno.
± Dall'astronomia all'astrofisica.
33
IL NUOVO SAGGIATORE
6) MATERIA, PARTICELLE
E
CAMPI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Struttura microscopica della materia: atomi, nuclei e
particelle
± Descrivere e interpretare alcuni esperimenti basilari: gli
esperimenti sull'effetto fotoelettrico, l'esperimento di
Frank e Hertz, l'esperimento di Compton.
± Riconoscere spettri atomici e interpretarlinell'ambito
del modello atomico di Bohr.
± Valutare la lunghezza d'onda di un elettrone di data velocitaÁ e la rilevanza degli effetti di interferenza in situazioni significative.
± Analizzare figure di diffrazione di fotoni ed elettroni e
riconoscere il funzionamento del microscopio elettronico.
± Calcolare il bilancio di energia, massa e carica in reazioni nucleari.
± Usare contatori Geiger portatili per rilevare e misurare
radiazioni di fondo e radioattivitaÁ ambientale.
± Costruire modelli di decadimenti radioattivi e illustrare
il concetto di vita media.
Aspetti storici
± Il periodo di transizione dalla fisica classica alla fisica ± Descrivere e interpretare il grafico Z/A relativamente
alla massa dei nuclei.
quantistica: nuove scoperte, limiti teorici e idee fondamentali alla base della formulazione della meccanica ± Individuare fenomeni significativi in cui intervengono i
diversi tipi di interazione fondamentale e classificarne il
quantistica.
rispettivo raggio di azione.
± Riconoscere la generalizzazione del concetto di campo
valido per qualsiasi tipo di interazione fondamentale.
Struttura microscopica della materia: atomi, nuclei e
particelle
± La natura duale dell'onda elettromagnetica.
± Le proprietaÁ del fotone e le basi della meccanica quantistica.
± Spettri atomici e atomo di Bohr.
± De Broglie e le proprietaÁ ondulatorie della materia. La
diffrazione degli elettroni.
± Isotopi, radioattivitaÁ e struttura del nucleo: protoni e
neutroni.
± Equivalenza massa-energia e energia di legame dei nucleoni nei nuclei. L'interazione nucleare forte.
± I diversi tipi di decadimento radioattivo. L'interazione
nucleare debole.
± Le quattro interazioni fondamentali: le interazioni elettromagnetica, forte e debole, in aggiunta all'interazione
gravitazionale.
2.4. ± Integrazioni per il 2ë Biennio dei Licei Scientifico e Tecnologico
1) FENOMENI MECCANICI
CONOSCENZE
34
Á
ABILITA
Forza, moto e relativitaÁ
Forza, moto e relativitaÁ
± Moto rotatorio, momento angolare e sua conservazione. ± Descrivere e modellizzare fenomeni quotidiani ri± Energia nel moto rotatorio.
guardanti la conservazione del momento della quantitaÁ
di moto e dell'energia meccanica di rotazione.
2) FENOMENI TERMICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Processi termodinamici
± Teoria cinetica dei gas.
± Equipartizione dell'energia.
± Definizione dell'entropia in termini statistici.
Processi termodinamici
± Confrontare e spiegare diagrammi di Maxwell della distribuzione delle velocitaÁ molecolari in funzione della
temperatura.
± Correlare grandezze macroscopiche e microscopiche.
± Mettere in relazione la probabilitaÁ di uno stato termodinamico con la molteplicitaÁ dei suoi microstati.
± Correlare lo stato di equilibrio con lo stato di massima
probabilitaÁ.
3) FENOMENI ELETTROMAGNETICI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Campi e onde elettromagnetiche
± Contributo elementare al campo elettrico o magnetico
da parte di cariche elettriche.
± Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss.
± Flusso del campo magnetico.
± Moto di particelle cariche in campi elettrici e magnetici.
± Corrente alternata.
± Derivazione qualitativa delle equazioni di Maxwell e delle
equazioni di propagazione delle onde elettromagnetiche.
± Connessione tra elettromagnetismo, velocitaÁ della luce e
relativitaÁ .
Campi e onde elettromagnetiche
± Applicare il concetto di flusso dei campi elettrici e magnetici per la soluzione di semplici problemi.
± Descrivere il moto di cariche elettriche in presenza di
campi elettrici e magnetici e la sua applicazione in alcuni
dispositivi.
± Analizzare il comportamento di semplici circuiti oscillanti.
± Risolvere problemi su semplici circuiti elettrici in corrente alternata.
± Risolvere problemi numerici riguardanti produzione,
trasporto, e trasformazione di energia mediante corrente
elettrica alternata.
IL NOSTRO MONDO
4) FENOMENI LUMINOSI
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Onde luminose e spettri
Onde luminose e spettri
± Emissione e assorbimento della luce dal punto di vista ± Risolvere semplici problemi sulla quantizzazione dell'enermicroscopico.
gia in un fascio di luce monocromatica.
± Spettro dell'atomo di idrogeno e quantizzazione dell'energia ± Risolvere semplici problemi sull'interazione quantizzata
nella materia.
fra luce e materia.
2.5. ± Obiettivi per il 5ë Anno dei Licei Scientifico e Tecnologico
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
± Il problema della misura nella fisica classica: determi- ± Descrivere fenomeni classici interpretabili in termini
puramente deterministici, oppure mediante calcoli stanismo, descrizione statistica, complessitaÁ e caos.
tistici, oppure soggetti alle leggi del caos e della com± La misura in meccanica quantistica: principio di indeplessitaÁ .
terminazione, probabilitaÁ quantistica e causalitaÁ.
± Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico sulla cul- ± Descrivere fenomeni quantistici che evdenziano il ruolo
del principio di indeterminazione in meccanica quantitura filosofica e sull'evoluzione della societaÁ, e viceversa
stica.
Applicazioni attuali della fisica
Applicazioni attuali della fisica
± Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, tele- ± Applicare le leggi dell'elettromagnetismo e della fisica
quantistica alla descrizione dei principi di funzionavisione, telefonia mobile, GPS).
mento di dispositivi basati sulla trasmissione di radia± Dispositivi laser e dispositivi a stato solido.
zione elettromagnetica.
± Produzione, trasmissione e ricezione di segnali in fibra
± Descrivere le basi di funzionamento di alcune tecniche e
ottica
apparecchiature sviluppate nell'ambito della ricerca in
fisica e applicate a diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro) o
ambiente (inquinamento, traffico).
LE
TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
LE
TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
Struttura microscopica della materia
± Semiconduttori e superconduttori.
± Fissione e fusione nucleare.
± Acceleratori di particelle.
± Rivelatori di particelle.
± La struttura dei nucleoni e i costituenti elementari della
materia: quark ed elettroni.
± Simmetria materia-antimateria.
± Il Modello Standard e lo sviluppo della fisica subnucleare.
Struttura microscopica della materia
± Descrivere i meccanismi fondamentali alla base dei semiconduttori e superconduttori.
± Descrivere i meccanismi fondamentali alla base della
fusione e fissione nucleare e calcolare l'ordine di grandezza dell'energia sviluppata in reazioni nucleari.
± Descrivere il principio di funzionamento di un acceleratore di particelle.
± Individuare diversi tipi di rivelatori per diversi tipi di
particelle, evidenziandone i principi di funzionamento.
± Spiegare il ruolo dei ``raggi cosmici'' e degli acceleratori
per lo studio, tramite fenomeni di collisione ad energie
via via crescenti, della struttura nucleare e subnucleare
della materia e della produzione di nuove particelle (o
antiparticelle).
± Riconoscere la differenza tra particelle elementari e non
elementari, tra particelle di materia e particelle mediatrici delle interazioni fondamentali.
RelativitaÁ
± Trasformazioni di Galilei e di Lorentz.
± Struttura dello spazio-tempo.
± Principi di equivalenza e di relativitaÁ generale.
± L'interazione luce-campo gravitazionale.
RelativitaÁ
± Analizzare alcuni fenomeni di relativitaÁ generale, come
ad esempio la deflessione della luce nel campo gravitazionale, descrivendone le conseguenze per la ricerca
astronomica e per la misurazione del tempo (rallentamento degli orologi).
Origine ed evoluzione cosmiche
Origine ed evoluzione cosmiche
± Descrivere i fatti sperimentali su cui si basano i modelli
± Misura delle velocitaÁ e delle masse dei corpi celesti.
sull'origine ed espansione dell'Universo e individuare le
± Origine ed evoluzione delle stelle.
ragioni che portano alla stima della scala dei tempi di
± Produzione termonucleare dell'energia all'interno delle
espansione.
stelle. Origine stellare degli elementi chimici.
± Utilizzare il diagramma di Hertzsprung-Russell per de± Il Big Bang e l'Universo in espansione.
scrivere l'evoluzione stellare.
35
IL NUOVO SAGGIATORE
2.6. ± Obiettivi per il 5ë Anno del Liceo Classico
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
± Il problema della misura nella fisica classica: determi- ± Descrivere fenomeni classici interpretabili in termini
puramente deterministici, oppure mediante calcoli stanismo, descrizione statistica, complessitaÁ e caos.
tistici, oppure soggetti alle leggi del caos e della com± La misura in meccanica quantistica: principio di indeplessitaÁ .
terminazione, probabilitaÁ quantistica e causalitaÁ.
± Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico sulla cul- ± Descrivere fenomeni quantistici che evidenziano il ruolo
del principio di indeterminazione.
tura filosofica e sull'evoluzione della societaÁ, e viceversa.
Applicazioni attuali della fisica
Applicazioni attuali della fisica
± Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, tele- ± Descrivere le basi di funzionamento di alcune tecniche e
visione, telefonia mobile, GPS).
apparecchiature sviluppate nell'ambito della ricerca in
± Dispositivi laser e dispositivi a stato solido.
fisica e applicate a diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro),
ambiente (inquinamento, traffico).
LE
36
TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
LE
TEMATICHE DELLA FISICA MODERNA
Struttura microscopica della materia
± Semiconduttori e superconduttori.
± Fissione e fusione nucleare.
± La struttura dei nucleoni e i costituenti elementari della
materia: quark ed elettroni.
± Simmetria materia-antimateria.
± Il Modello Standard e lo sviluppo della fisica subnucleare.
Struttura microscopica della materia
± Descrivere i meccanismi fondamentali alla base dei semiconduttori e superconduttori.
± Descrivere i meccanismi fondamentali alla base della
fusione e fissione nucleare.
± Descrivere il principio di funzionamento di un acceleratore di particelle.
± Riconoscere la differenza tra particelle elementari e non
elementari, tra particelle di materia e particelle mediatrici delle interazioni fondamentali.
RelativitaÁ
± Struttura dello spazio-tempo.
± Principi di equivalenza e di relativitaÁ generale.
± L'interazione luce-campo gravitazionale.
RelativitaÁ
± Analizzare alcuni fenomeni di relativitaÁ generale, come
ad esempio la deflessione della luce nel campo gravitazionale, descrivendone le conseguenze per la ricerca
astronomica e per la misurazione del tempo (rallentamento degli orologi).
Origine ed evoluzione cosmiche
Origine ed evoluzione cosmiche
± Descrivere i fatti sperimentali su cui si basano i modelli
± Origine ed evoluzione delle stelle.
sull'origine ed espansione dell'Universo e individuare le
± Produzione termonucleare dell'energia all'interno delle
ragioni che portano alla stima della scala dei tempi di
stelle. Origine stellare degli elementi chimici.
espansione.
± Il Big Bang e l'Universo in espansione.
± Utilizzare il diagramma di Hertzsprung-Russell per descrivere l'evoluzione stellare.
2.7. ± Obiettivi per il 5ë Anno dei Licei Linguistico, Economico, Musicale/Coreutico, Artistico, delle
Scienze Umane
CONOSCENZE
Á
ABILITA
Le basi della conoscenza in fisica
Le basi della conoscenza in fisica
± Il problema della misura nella fisica classica: determi- ± Descrivere fenomeni classici interpretabili in termini
puramente deterministici, oppure mediante calcoli stanismo, descrizione statistica, complessitaÁ e caos.
tistici, oppure soggetti alle leggi del caos e della com± La misura in meccanica quantistica: principio di indeplessitaÁ .
terminazione, probabilitaÁ quantistica e causalitaÁ.
± Influenza dello sviluppo scientifico e tecnico sulla cul- ± Descrivere fenomeni quantistici che evidenziano il ruolo
del principio di indeterminazione.
tura filosofica e sull'evoluzione della societaÁ, e viceversa.
Applicazioni attuali della fisica
Applicazioni attuali della fisica
± Strumentazione elettronica di uso corrente (radio, tele- ± Descrivere le basi di funzionamento di alcune tecniche e
visione, telefonia mobile, GPS).
apparecchiature sviluppate nell'ambito della ricerca in
± Dispositivi laser e dispositivi a stato solido.
fisica e applicate a diversi settori come medicina (diagnostica, terapia), beni culturali (datazione, restauro),
ambiente (inquinamento, traffico).
IL NOSTRO MONDO
3. ± Commenti sugli obiettivi specifici di
apprendimento della Fisica nei Licei
STRUMENTI, MODELLI
E
PROCEDURE
I contenuti di questa tabella indicano i passi
caratteristici e le abilitaÁ di processo che devono
accompagnare gli studenti lungo tutto il percorso in fisica. In quanto tali non sono distinti
tra primo e secondo biennio. Essi individuano i
modi di guardare ai fenomeni, selezionare proprietaÁ e relazionare variabili per saper descrivere la fenomenologia in modo qualitativo e
quantitativo. Vengono quindi individuate le modalitaÁ con cui si costruisce la teoria, integrando
in processi formali sintesi sempre piuÁ ampie di
contesti fenomenologici, e viene quindi guidata
l'interpretazione dei fenomeni, selezionando e
adattando modelli il cui potere predittivo mette
a confronto teorie e classi fenomenologiche.
Lo sviluppo di processi mentali a cui si mira
nel primo biennio eÁ prevalentemente rivolto all'osservazione e alla descrizione, con scopo di:
± individuare le variabili rilevanti,
± misurarle per rivelarne variazioni significative e per metterle in relazione fra di loro,
± rappresentare e interpretare tali relazioni in
forma matematica, anche mediante l'utilizzo
di grafici,
± analizzare le variazioni con tecniche di ``differenze finite''.
Nel secondo biennio si mira, oltre al rafforzamento dei processi giaÁ avviati nel primo biennio,
all'avvio di una modellizzazione piuÁ formale come
base di costruzione della teoria fisica e per la gestione di situazioni variamente complesse.
1) F ENOMENI MECCANICI
raggruppano e classificano situazioni fenomenologiche idonee alla costruzione di concetti e
nuclei concettuali.
Interazione e forza
Siamo in una fase iniziale di gestione della
fenomenologia, con la caratterizzazione degli
``attori'' dell'interazione e delle ``regole del gioco'' secondo le quali avviene l'interazione.
Si caratterizzano e si descrivono:
± l'interazione in termini del fare-subire forza/
pressione in situazione statica fra sistemi diversi (come ``azione-reazione'')
± le regole del fare-subire forza,
± i diversi tipi di forza, in particolare la forzapeso (necessaria per introdurre un primo
modo di stabilire l'unitaÁ di misura della forza,
concettualmente diversa dall'unitaÁ di misura
della massa),
± il legame tra forza e moto,
± le condizioni di equilibrio,
± la conservazione della quantitaÁ di moto per
interpretare il terzo principio della dinamica.
Spazio, tempo e moto
Nella fase iniziale di gestione della fenomenologia, l'osservazione e la descrizione dei
possibili modi di muoversi e delle grandezze
corrispondenti (spazio, tempo, velocitaÁ e accelerazione) permette di individuare:
± gli aspetti cinematici differenziali (velocitaÁ
come distanza percorsa nell'intervallo di
tempo, accelerazione come cambiamento di
velocitaÁ nell'intervallo di tempo),
± quelli integrali (distanza percorsa, velocitaÁ
raggiunta alla fine dell'accelerazione),
± quelli vettoriali (direzione relativa a un certo
riferimento).
1ë BIENNIO
Onde meccaniche
Il concetto di onda eÁ un fecondo descrittore di
fenomeni fisici che interessano una varietaÁ di aree
e contesti, scientifici e tecnologici. Nel primo
biennio si affronta lo studio cinematico della propagazione ondosa che viene completato dall'applicazione delle conoscenze acquisite al caso delle
onde sonore, anche dal punto di vista dell'analisi
del senso dell'udito.
Nello studio dei fenomeni meccanici vengono
proposti nel primo biennio aspetti mirati a esaminare le caratteristiche dell'interazione tra
corpi e a costruire i concetti di forza ed energia
oltre a quelli che ne stanno alla base. Il campo
dei fenomeni meccanici eÁ diviso in parti che
Energia e lavoro
In questa fase si costruiscono altre variabili significative per interpretare le interazioni. In particolare si caratterizzano e si descrivono gli aspetti
energetici, esplicitando anche le relazioni fra tale
descrizione e quella in termini di forze.
L'interazione fra sistemi materiali nei fenomeni meccanici presenta concetti-chiave che
devono essere resi presenti a tutti i livelli e richiamati in tutti i contesti (a livello almeno
qualitativo fin dalle prime osservazioni fenomenologiche).
37
IL NUOVO SAGGIATORE
Si caratterizzano e si descrivono:
± le regole dell'immagazzinare-trasferire-trasformare energia in presenza di forze,
± l'introduzione della nozione ausiliaria di ``lavoro'' per correlare quantitativamente forza
ed energia trasferita (aspetti integrali dell'interazione),
± l'energia di configurazione (energia potenziale) in situazioni diverse,
± l'energia associata al movimento come chiave
dei trasferimenti di energia da un sistema a un
altro,
± la lettura ``secondo energia'' dei trasferimenti:
``dissipativo'', in presenza di attriti, ``reversibile''
attraverso movimento,
± la definizione di sistema e la prima modellizzazione dell'energia interna su base meccanica.
38
stemi materiali con particolare attenzione ai parametri che determinano il loro modo di oscillare.
Lo studio delle condizioni necessarie perche in tali
sistemi si stabiliscano onde stazionarie introduce i
concetti base su cui costruire i modelli attuali della
struttura microscopica della materia, fornisce la
chiave per comprendere il funzionamento dei dispositivi produttori di suono ed evidenzia il fatto
che sistemi continui possono dimostrare comportamenti discreti.
Si evidenzia inoltre come, dopo una prima
fase di esplorazione su oggetti concreti, si puoÁ
facilitare la costruzione dei concetti usando
adeguate simulazioni al calcolatore, per poi
tornare all'esperimento per controllare l'efficacia dei modelli analizzati.
2) F ENOMENI TERMICI
2ë B IENNIO
1ë BIENNIO
Forza, moto e relativitaÁ
Nel secondo biennio si completa l'apprendimento con aspetti a livello piuÁ alto di
astrazione e complessitaÁ, e con l'inquadramento
nell'ambito generale del sistema di riferimento,
che porta ai concetti base della teoria della relativitaÁ. La relativitaÁ viene proposta a tutti i Licei
nei suoi elementi fondamentali, sufficienti peroÁ
per far capire la portata delle idee relativistiche
riguardanti la revisione dei concetti di tempo e
spazio e la relazione fra massa ed energia.
Concetti base di relativitaÁ ristretta, quali il
principio di relativitaÁ, la dilatazione del tempo,
l'equivalenza massa-energia e i concetti a essi
propedeutici (sistemi di riferimento in moto relativo) vengono proposti per tutti i Licei, come
base culturale necessaria per comprendere il
``linguaggio'' della relativitaÁ e le piuÁ rilevanti
fenomenologie collegate.
Inoltre, si approfondisce lo studio del moto
modellizzando, matematicamente e graficamente, le leggi del moto in situazioni particolarmente rilevanti (caduta dei gravi e moto armonico). E' di fondamentale importanza in
questa fase la utilizzazione delle tecnologie informatiche per lo sviluppo di abilitaÁ mirate alla
comprensione dei concetti.
Nel primo biennio la fenomenologia dell'interazione tra sistemi a temperatura diversa
viene proposta al fine di consolidare i concetti
di temperatura e quantitaÁ di calore, che saranno
stati oggetto di studi precedenti. La trattazione
si focalizza sui concetti di equilibrio e di evoluzione verso l'equilibrio, fondamentali per la
comprensione del significato di tali grandezze.
L'analisi parte dalla osservazione e dalla misurazione di fenomeni facilmente riproducibili,
mirando all'introduzione di modelli che descrivono la natura della temperatura e della
pressione, i processi di scambio di calore attraverso la conduzione termica, i vari processi
di riscaldamento/raffreddamento come effetti
macroscopici di fenomeni che interessano i
componenti microscopici dei corpi. Inoltre, attraverso il primo principio della termodinamica,
viene introdotta l'ipotesi, di un tipo di energia
``interna'' ai corpi, associata alla temperatura.
Oscillatori accoppiati e sistemi continui
Attraverso l'esame dei processi di trasferimento/scambio di energia tra sistemi elementari discreti interagenti tra loro e via via piuÁ
numerosi, si approfondiscono le proprietaÁ dei si-
2ë B IENNIO
Nel secondo biennio si completa il quadro con
aspetti a livello piuÁ alto di astrazione, approfondendo l'analisi dei processi che avvengono durante l'evoluzione verso l'equilibrio termico; cioÁ porta al secondo principio della termodinamica e ai concetti di entropia e irreversibilitaÁ, fondamentali per comprendere molte applicazioni della termodinamica in fenomeni
naturali e tecnologici.
La riflessione sull'irreversibilitaÁ viene proposta a tutti i Licei nei suoi elementi di base,
IL NOSTRO MONDO
sufficienti peroÁ per far capire la portata dell'idea e le sue implicazioni, con approfondimenti su aspetti piuÁ avanzati, in particolare
sull'entropia, per alcuni Licei. La discussione,
prevalentemente svolta con riferimento al livello macroscopico, affronteraÁ in modo semplice anche il livello microscopico correlandosi
alle conoscenze di tipo statistico previste per
questo livello scolare nelle indicazioni degli
Obiettivi Specifici di Apprendimento per la
matematica.
Ulteriori integrazioni in questa direzione
vengono proposte per i Licei Scientifico e Tecnologico.
3) FENOMENI ELETTRICI
E
MAGNETICI
1ë BIENNIO
A partire dalla interazione di origine elettrica
(giaÁ parzialmente sperimentata al primo biennio
nell'area tematica Fenomeni Meccanici-Interazione e Forza) si introducono:
± il concetto di carica elettrica e la legge di
Coulomb,
± il condensatore come magazzino temporaneo
di cariche elettriche,
± la corrente come moto reale di cariche elettriche,
± il collegamento tra aspetti macroscopici e
microscopico-strutturali che possono spiegare i fenomeni di elettrizzazione, induzione e
polarizzazione in elettrostatica,
± il collegamento tra aspetti macroscopici e
microscopico-strutturali che possono spiegare la corrente e la resistenza elettrica (moto
delle cariche in un mezzo con attrito, da cui
l'effetto Joule),
± il raccordo tra circuiti elettrici e campo magnetico,
± il collegamento tra aspetti macroscopici e microscopico-strutturali che possono spiegare la
polarizzazione magnetica della materia.
2ë B IENNIO
Si propone di affrontare per tutti i licei una
riflessione sul concetto di campo e sulle caratteristiche generali dell'interazione e dell'energia trasmesse attraverso il campo, fino a
introdurre a livello qualitativo l'onda elettromagnetica, che trasporta a distanza l'interazione e l'energia. Tali concetti vengono proposti
a tutti i Licei nei suoi elementi di base, sufficienti peroÁ per far capire la portata dell'idea e le
sue implicazioni, con approfondimenti per i Licei Scientifico e Tecnologico su aspetti piuÁ
avanzati, in particolare, sugli aspetti formali riguardanti le equazioni di Maxwell e su diversi
temi di interesse per le applicazioni di corrente
ed energia elettrica.
4) F ENOMENI LUMINOSI
1ë BIENNIO
Il punto di partenza eÁ l'analisi delle osservazioni e descrizioni della fenomenologia quotidiana, per giungere a costruire i concetti astratti
legati alla natura della luce.
Nel primo biennio si mira anzitutto ad una descrizione ``cinematica'' dei fenomeni luminosi, per
costruire le relazioni geometriche che consentono
di prevedere i percorsi della luce nel vuoto e nella
materia. Lo studio eÁ quindi orientato fortemente
verso i fenomeni ottici che riguardano la propagazione della luce nell'aria, nei mezzi materiali e
nei punti di discontinuitaÁ tra mezzi diversi: si lavora con specchi, prismi, lenti, fibre ottiche, sistemi per formare immagini.
Si esplorano poi le interazioni luce-materia in
relazione ai loro aspetti energetici nelle sorgenti luminose, nei mezzi attraversati dalla luce,
negli oggetti illuminati, con riferimento alla
conservazione, al trasferimento e alla trasformazione dell'energia luminosa, preparando
una base per gli approfondimenti del secondo
biennio.
2ë BIENNIO
Si osservano fenomeni difficilmente spiegabili
con lo schema a ``raggi'' utilizzato nel primo biennio, ma facilmente interpretabili con un'ipotesi
ondulatoria, da cui la necessitaÁ di reinterpretare lo
schema a raggi nel nuovo contesto. Si studiano
altre evidenze che a loro volta non sono spiegabili
con il modello ondulatorio e si delinea il limite di
validitaÁ della fisica classica e la necessitaÁ che ha
portato alle due visioni Ð onda e corpuscolo Ð e
ai loro diversi campi di applicazione. Emerge il
problema della diversa natura della luce in relazione al suo comportamento in contesti diversi,
problema che saraÁ affrontato nei sui termini generali nell'area tematica Struttura della Materia,
Particelle, Campi.
Approfondimenti specifici, in relazione agli
spettri di emissione e assorbimento della luce
dal punto di vista microscopico, vengono proposti per i Licei Scientifico e Tecnologico.
39
IL NUOVO SAGGIATORE
5) TERRA
E
UNIVERSO
Lo studio della Terra e dell'Universo parte
dall'osservazione diretta e dalla descrizione dei
fenomeni e degli oggetti celesti per giungere a
costruire modelli e concetti astratti legati alla
struttura ed evoluzione dell'Universo.
1ë B IENNIO
Si inizia l'astronomia a occhio nudo, richiamando l'osservazione e la descrizione del
Sole, del cielo e dei fenomeni correlati (scansione naturale del tempo: il dõÁ e la notte, il ciclo
della Luna, il ciclo delle stagioni, il ciclo annuo
del Sole), che sono giaÁ state studiate in modo
piuÁ semplice fin dalla scuola primaria e secondaria di primo grado.
Lo sviluppo successivo deve mirare a:
± far apprezzare gli ordini di grandezza delle
distanze astronomiche,
± definire e utilizzare le coordinate geografiche
e astronomiche,
± analizzare i sistemi di riferimento geocentrico-geostatico ed eliocentrico.
2ë B IENNIO
40
Partendo dalle conoscenze e abilitaÁ sviluppate nel primo biennio, si procede in due direzioni:
± la formalizzazione delle conoscenze relative al
Sistema Solare, attraverso le leggi di Keplero e
la legge di gravitazione universale di Newton, e
il loro utilizzo nell'interpretazione dei fenomeni
correlati (maree, comete, scoperta di nuovi
pianeti, sistemi stellari doppi, ...),
± l'analisi delle informazioni che ci giungono
dalle stelle e le ipotesi sulle loro caratteristiche fisiche.
6) S TRUTTURA
CAMPI
DELLA
MATERIA, PARTICELLE
E
Partendo dalla fenomenologia di base legata
alle proprietaÁ dei materiali si giunge all'analisi
della struttura microscopica della materia e ad
affrontare i grandi temi della fisica moderna legati alla meccanica quantistica, alla fisica dei
nuclei e delle particelle.
1ë B IENNIO
Si inizia con l'esame della fenomenologia di
base della materia legata alle proprietaÁ dei materiali, quali lo stato di aggregazione, la densitaÁ,
la conducibilitaÁ, e alle caratteristiche di fenomeni, quali la soluzione e la diffusione, per passare a una prima semplice modellizzazione della
struttura interna della materia introducendo il
modello atomico-molecolare e tenendo conto
degli aspetti casuali presenti in un sistema macroscopico costituito da molte componenti microscopiche. Si approfondisce poi l'analisi dell'energia interna dei corpi, come somma delle
energie di moto e potenziale dei costituenti elementari della materia (molecole e atomi).
Le diverse proprietaÁ della materia vengono
poi interpretate alla luce del modello atomico di
Rutherford e della scoperta dell'elettrone. Vengono infine illustrati semplici modelli di struttura dei diversi stati di aggregazione.
2ë B IENNIO
La conoscenza della struttura microscopica
della materia e la sua correlazione con le proprietaÁ macroscopiche viene approfondita al
secondo biennio. Il progredire delle conoscenze a livello microscopico richiede la introduzione di teorie, presentate anche in modo
formale, nonche la gestione di situazioni complesse che richiedono collegamenti a diversi
livelli. Si procede quindi ad introdurre:
± gli elementi di base della fisica dei quanti,
sufficienti per capire cioÁ che cambia nelle
leggi della meccanica quando si riducono le
dimensioni dei corpi,
± i dettagli della struttura atomica che seguono
dalle leggi quantistiche,
± gli elementi di fisica nucleare utili per capire
gli aspetti delle applicazioni della fisica nucleare alla vita quotidiana.
L'analisi della composizione e struttura del
nucleo mira alla costruzione del concetto di
``energia di massa'', che sta alla base dell'energia
nucleare, e alla sua trasformazione in altre forme di energia.
A primo completamento dell'analisi si propone una riflessione sulle quattro interazioni fondamentali che attualmente descrivono e interpretano proprietaÁ e struttura della materia.
Approfondimenti su aspetti piuÁ avanzati, relativi alla meccanica quantistica da un lato e alla
fisica nucleare dall'altro, vengono proposti, con
alcune variazioni, per il quinto anno dei Licei
Scientifico, Tecnologico e Classico.
O BIETTIVI SPECIFICI
5ë ANNO
DI
APPRENDIMENTO
PER IL
Il quinto anno del Liceo dovrebbe essere
proiettato verso la scelta degli studi successivi
IL NOSTRO MONDO
oltre che verso l'approfondimento e il completamento dei temi avviati nei bienni precedenti.
Mentre gli obiettivi di approfondimento e
completamento interessano principalmente i
Licei Scientifico e Tecnologico e secondariamente il Liceo Classico, l'orientamento formativo puoÁ riguardare tutti i Licei, anche percheÂ
moduli di orientamento formativo potrebbero
essere previsti fra i moduli opzionali, mirati
appunto a ottimizzare la scelta verso studi universitari o di istruzione e formazione superiore.
Vengono cosõÁ suggeriti obiettivi comuni a tutti
i Licei, mirati all'orientamento formativo verso
gli studi successivi, che riprendono i due ruoli
che svolge la fisica nella societaÁ attuale, e cioeÁ:
± da un lato, le applicazioni della fisica "moderna", che permeano profondamente la nostra vita quotidiana,
± dall'altro, l'impronta culturale della fisica sul
modo di pensare dell'uomo moderno attraverso
l'analisi dell'influenza dello sviluppo scientifico
e tecnico sulla cultura filosofica e sull'evoluzione della societaÁ, e viceversa.
Obiettivi piuÁ specifici sono poi suggeriti, con
scopi di approfondimento e completamento, per
i due Licei piuÁ legati alla preparazione scientifico-tecnologica e per il Liceo Classico che li
analizzeraÁ in un contesto di interazione/confronto con lo sviluppo attuale del pensiero storico, filosofico, sociale e artistico. Le tematiche
della ricerca attuale in fisica sono suddivise in
tre campi:
± i modelli di struttura microscopica della materia idonei a spiegare i piuÁ recenti risultati
nel campo della superconduzione, fissione e
fusione nucleare, e della fisica subnucleare;
± la relativitaÁ generale con i problemi inerenti la
struttura dello spazio-tempo e l'interazione
luce-campo gravitazionale;
± i modelli che descrivono e interpretano l'origine e l'evoluzione dell'Universo.
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