POF 2013/2014
DIPARTIMENTO Di FISICA
1.1 Profilo generale (primo biennio)
L’insegnamento di fisica nel liceo scientifico contribuisce alla formazione culturale degli studenti
del primo biennio attraverso:
la promozione di interesse per le problematiche scientifiche in generale e per quelle poste
nell’ambito della Fisica in particolare
lo sviluppo di conoscenze di base relative all’analisi dei fenomeni fisici e l’acquisizione di
una metodologia di studio indispensabili per la conclusione dell’obbligo scolastico e per il
proseguimento dello studio della fisica e delle altre scienze
la progressiva acquisizione di padronanza e consapevolezza del metodo scientifico
abituando al rigoroso rispetto dei fatti e all’attento vaglio critico delle ipotesi interpretative
proposte nelle attività di laboratorio ( di classe e a gruppi)
la progressiva acquisizione di un linguaggio disciplinare corretto e appropriato.
L’insegnamento della disciplina si avvale del contributo degli insegnamenti di matematica e
informatica (nel liceo scientifico delle scienze applicate).
1.2 Profilo generale (secondo biennio)
L’insegnamento di fisica nel liceo scientifico nel secondo biennio dà maggiore rilievo
all’impianto teorico e alla sintesi formale, al fine di formulare e risolvere problemi anche
impegnativi, sottolineando la natura quantitativa e predittiva delle leggi fisiche.
Oltre a ciò, si arricchirà la formazione culturale dello studente e si punterà all’acquisizione di
padronanza e consapevolezza del metodo scientifico, che permetterà di valutare criticamente
le ipotesi interpretative proposte anche nelle attività di laboratorio (di classe o a gruppi).
L’esposizione dei contenuti dovrà essere chiara, lineare e corretta, con un linguaggio
disciplinare appropriato.
L’insegnamento della disciplina si avvale del contributo degli insegnamenti di matematica e
informatica (nel liceo scientifico delle scienze applicate).
2. Risultati di apprendimento
A conclusione del secondo biennio di entrambi gli indirizzi gli studenti dovranno:
2.1 Area metodologica
Saper analizzare e sintetizzare un testo, un fenomeno, una situazione sperimentale.
Saper distinguere tra conoscenza dichiarativa e conoscenza operativa
2.2 Area logico-argomentativa
Saper definire in modo accurato la corretta natura dei concetti scientifici studiati.
Saper spiegare tramite esemplificazioni significative:
o il “metodo scientifico” e la “ricerca scientifica”
o situazioni in cui le ricadute (in ambito intellettuale, sociale, storico, tecnologico, ecc.)
della conoscenza scientifica hanno rilevanza
o l’universalità delle leggi fisiche che, dal microcosmo al macrocosmo, forniscono una
visione organica della realtà.
2.3 Area linguistica e comunicativa
Saper comunicare efficacemente (oralmente e in forma scritta) esponendo in modo chiaro,
sintetico e logicamente organizzato ricorrendo all’uso del lessico disciplinare.
2.4 Area storico-umanistica
Acquisire progressivamente consapevolezza, anche in collegamento con altre discipline
(scienze, storia), dell’evoluzione storica di alcuni significativi modelli di interpretazione della
realtà fisica.
Acquisire gradualmente consapevolezza dell’impossibilità di affrontare lo studio delle
discipline scientifiche con un’impostazione storicistica e della necessità dei grandi principi
organizzatori della Fisica (teoria atomica, principi di conservazione, relatività dello spazio-
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tempo, quantizzazione delle grandezze fisiche, unificazione delle leggi fisiche, leggi di
scala).
2.5 Area scientifica, matematica e tecnologica
Saper presentare in modo completo (simbolo, equazione dimensionale, unità di misura
ecc.) le definizioni dei concetti introdotti, se è il caso i valori e/o l’ordine di grandezza che
essi assumono in situazioni significative.
Saper esprimere le relazioni tra i concetti di cui sopra ed i collegamenti con concetti
precedentemente appresi ad essi correlati.
Saper illustrare le leggi trattate (formulazione sintetica, eventuale rappresentazione,
significato, verifica sperimentale, ecc.).
Saper descrivere il percorso che ha condotto alla legge (dimostrazione).
Saper utilizzare un livello di formalizzazione matematica adeguato a consentire gli sviluppi
quantitativi delle tematiche trattate.
Saper risolvere problemi quantitativi, allo scopo di recepire con chiarezza i concetti teorici,
controllando procedure e soluzioni (mediante la valutazione degli ordini di grandezza, delle
dimensioni delle formule, dei valori delle costanti fisiche e degli invarianti ai vari stadi del
procedimento risolutivo).
Saper discutere la verifica sperimentale delle leggi fisiche e le loro principali conseguenze
sapendone prevedere altre (ad un livello semplice, anche collegato all’esperienza
personale, diretta o indiretta).
Saper utilizzare quanto appreso per una lettura consapevole di articoli scientifici e libri di
divulgazione di buon livello, documentandosi anche in rete.
3. 1 Contenuti (primo biennio)
PRIMO ANNO
1. Processi di misura di grandezze fisiche ed elementi di teoria degli errori
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Grandezze fisiche, unità di misura, il Sistema Internazionale di unità di misura.
Operazioni tra grandezze fisiche. Misure dirette e indirette.
Misure di lunghezze, durate, masse, temperature, aree, volumi, densità, pressione.
La notazione scientifica. Multipli e sottomultipli. Gli ordini di grandezza.
Errori di misura: errori accidentali ed errori sistematici.
Incertezza associata a una misura diretta. Incertezza relativa e percentuale.
Precisione ed affidabilità di una misura. Confronto tra misure.
Incertezza associata ad una misura indiretta (cenni di propagazione degli errori).
Notazione implicita dell’errore. Cifre significative.
2. Relazioni tra grandezze fisiche
2.1
2.2
2.3
La rappresentazione di un fenomeno fisico mediante tabelle, formule e grafici.
La rappresentazione degli errori nel grafico di una relazione tra grandezze fisiche.
Interpolazione ed estrapolazione.
3. Grandezze vettoriali
3.1
3.2
Grandezze scalari e vettoriali, definizioni.
Operazioni con i vettori: addizione (metodo della poligonale, del parallelogramma,
delle componenti cartesiane), moltiplicazione per uno scalare, sottrazione.
4. Cinematica del moto rettilineo uniforme
4.1
4.2
4.3
Sistemi di riferimento.
Posizione. Spostamento.
Definizione di punto materiale e traiettoria.
2
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4.4
4.5
4.6
4.7
Definizione di velocità scalare media e istantanea.
Relatività del moto.
Principio di inerzia. Sistemi di riferimento inerziali.
Cinematica del moto rettilineo uniforme. Equazione oraria e diagramma orario. Grafico
velocità/tempo.
5. Equilibrio dei solidi e dei fluidi
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
La forza peso. Differenza tra massa e peso. Elasticità di una molla. La costante di
elasticità.
Dinamometro. Misura dell’intensità di una forza con il dinamometro.
Equilibrio di un corpo soggetto all'azione di due o più forze allineate: condizione teorica
ed esempi.
Equilibrio di un corpo soggetto all'azione di più forze non allineate.
Equilibrio di un corpo su un piano inclinato.
Equilibrio di un oggetto vincolato.
Baricentro di un corpo.
Definizione di pressione e sue unità di misura.
Condizione di equilibrio di un fluido.
Pressione idrostatica e legge di Stevino.
Principio di Pascal, torchio idraulico. Vasi comunicanti.
Pressione atmosferica e sua variazione con la quota; esperienza di Torricelli.
SECONDO ANNO
1. Cinematica del punto materiale in una e due dimensioni
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Cinematica del moto rettilineo uniformemente accelerato. Equazione oraria e
diagramma orario. Grafico velocità/tempo. Grafico accelerazione/tempo.
Caduta libera. Misura dell'accelerazione di gravità. Lancio di un corpo verticalmente
verso l’alto.
Moto lungo un piano inclinato.
Moto circolare uniforme.
Moto armonico semplice.
Moto dei proiettili.
2. Dinamica del punto materiale
2.1
2.2
2.4
2.5
Interazioni fondamentali.
Seconda legge di Newton. Definizione dinamica di forza.
Studio dinamico dei moti accelerati già trattati in cinematica: moto rettilineo
uniformemente accelerato, caduta libera e lanci in verticale verso l’alto, moto lungo un
piano inclinato, moto circolare uniforme, moto armonico semplice, moto dei proiettili.
La terza legge della dinamica.
3. Lavoro di una forza ed energia cinetica
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Definizione di lavoro compiuto da una forza costante.
Potenza.
Definizione di energia cinetica. Teorema dell'energia cinetica.
Lavoro della forza peso. Indipendenza dal percorso compiuto.
Forze conservative. Energia potenziale gravitazionale (caso della forza peso).
Conservazione dell'energia meccanica.
Approccio energetico allo studio del moto.
3
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4. Temperatura, calore ed equilibrio termico
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
La dilatazione termica.
Termometri e scale termometriche.
Legge fondamentale della termometria: calore specifico, capacità termica, quantità di
calore.
Equilibrio termico.
Diagramma di stato e cambiamenti di stato: nozioni di base.
5. Ottica geometrica
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Sorgenti di luce. Propagazione rettilinea della luce.
Riflessione della luce; leggi della riflessione.
Rifrazione della luce; leggi della rifrazione.
Riflessione totale. Prismi a riflessione totale. Fibre ottiche.
Lenti convergenti e divergenti. Strumenti ottici.
3. 2 Contenuti (secondo biennio)
TERZO ANNO
Completamento della meccanica
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
Ripresa sistemi di riferimento inerziali e non inerziali.
Trasformazioni di Galileo: diagrammi orari.
Sistemi isolati: principio di conservazione della massa e della quantità di moto di un
sistema di corpi.
Urti anelastici ed elastici in una dimensione ed in due dimensioni.
Cinematica e dinamica del moto circolare uniformemente accelerato.
Momento torcente, momento d’inerzia e momento angolare. Confronto tra forza,
massa inerziale e quantità di moto.
Conservazione del momento angolare.
Gravitazione: modelli geocentrici e modelli eliocentrici.
Leggi di Keplero. La gravitazione universale. Applicazioni della legge di gravitazione.
Campo gravitazionale.
Energia potenziale gravitazionale.
Considerazioni energetiche sul moto dei satelliti.
Dinamica dei fluidi: equazione di continuità.
Principio di conservazione dell’energia per un liquido ideale: l’equazione di Bernoulli.
Cinematica della relatività ristretta
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
Importanza della velocità della luce e sua misura.
Postulati della teoria della relatività ristretta.
Dilatazione dei tempi.
Contrazione delle lunghezze.
Invarianza delle lunghezze ortogonali al moto.
Relatività della simultaneità.
Diagrammi spaziotempo di Minkowski (*)
Principio di causa – effetto.
Paradosso dei gemelli.
L’intervallo spaziotempo: un invariante relativistico.
4
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Onde meccaniche
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
Definizione di onda armonica.
Equazione dell’onda armonica.
Velocità delle onde.
Principio di sovrapposizione: analisi dell’interferenza delle onde.
Onde stazionarie.
Principio di Huygens.
Riflessione e rifrazione.
Diffrazione attraverso fenditure e da parte di ostacoli.
Caratteristiche del suono come esempio di onda meccanica
Risonanza
Effetto Doppler.
Modello ondulatorio della luce (**)
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Modelli corpuscolari e ondulatorio a confronto.
Critica di Young al modello corpuscolare di Newton.
Interferenza da una doppia fenditura.
Diffrazione da una fenditura.
Frange di interferenza e effetto prodotto dalla diffrazione delle fenditure.
Polarizzazione della luce: legge di Malus.
(**) Questo capitolo potrà essere trattato anche nel quinto anno, quando si affronterà la
natura e la propagazione di un’onda elettromagnetica.
QUARTO ANNO
Effetti del calore sul comportamento di un gas perfetto.
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
2.0
2.1
2.2
Modello di gas perfetto.
Trasformazioni isoterma, isobara, isocora.
Trasformazione adiabatica.
Interpretazione microscopica della temperatura.
Temperatura ed energia interna.
Interpretazione microscopica del calore specifico delle sostanze.
Principio di equipartizione dell’energia
Diagramma di fase relativo ai passaggi di stato.
Il primo principio della termodinamica.
I cicli termodinamici.
Rendimento delle macchine termiche e secondo principio della termodinamica
Entropia
Campo elettrostatico
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Forza di Coulomb e campo elettrostatico.
Flusso del campo elettrostatico: legge di Gauss.
Lavoro della forza elettrica. Energia potenziale elettrica. Potenziale elettrostatico.
Circuitazione del campo elettrostatico.
Conduttori in equilibrio elettrostatico.
Capacità elettrica di un conduttore. Analisi del condensatore carico.
Energia di un condensatore carico.
Correnti e cariche elettriche
3.0
Moto elettroni di conduzione e intensità di corrente.
5
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3.1
3.2
3.3
Leggi di Ohm a livello macroscopico [e microscopico (*)]
Generatori di corrente: circuiti elettrici.
Energia associata alla corrente elettrica: effetto Joule.
Campo magnetico
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
4.1
4.2
Il dibattito ottocentesco sulla natura del magnetismo: effetti magnetici. Legge di Oersted.
Correnti amperiane.
Campo magnetico generato da alcuni elementi tipici circuitali.
Flusso del campo magnetico.
Circuitazione del campo magnetico.
Azione del campo magnetico su cariche: forza di Lorentz.
Esperimento di Thomson.
Interazione tra campo magnetico e corrente elettrica.
Campo magnetico nella materia (*)
Nota: si indicano con l’asterisco (*) gli argomenti che possono essere oggetto di
approfondimento: sarà cura del docente valutare la possibilità di trattazione nelle proprie
classi.
QUINTO ANNO (corsi in esaurimento)
Campo elettrostatico
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Forza di Coulomb e campo elettrostatico.
Flusso del campo elettrostatico: legge di Gauss.
Lavoro della forza elettrica. Energia potenziale elettrica. Potenziale elettrostatico.
Circuitazione del campo elettrostatico.
Conduttori in equilibrio elettrostatico.
Capacità elettrica di un conduttore. Analisi del condensatore carico.
Energia di un condensatore carico.
Correnti e cariche elettriche
2.0
2.1
2.2
2.3
Moto elettroni di conduzione e intensità di corrente.
Leggi di Ohm a livello macroscopico [e microscopico (*)]
Generatori di corrente: circuiti elettrici.
Energia associata alla corrente elettrica: effetto Joule.
Campo magnetico
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Il dibattito ottocentesco sulla natura del magnetismo: effetti magnetici. Legge di Oersted.
Correnti amperiane.
Campo magnetico generato da alcuni elementi tipici circuitali.
Flusso del campo magnetico.
Circuitazione del campo magnetico.
Azione del campo magnetico su cariche: forza di Lorentz.
Esperimento di Thomson.
Interazione tra campo magnetico e corrente elettrica.
Campo magnetico nella materia
Induzione elettromagnetica
4.1
4.2
4.3
4.4
Corrente indotta: legge di Faraday Neumann. Legge di Lenz.
Mutua induzione e autoinduzione.
Circuiti RL e l’energia degli induttori.
Densità di energia del campo magnetico.
6
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4.5
Trasformatore.
Onde elettromagnetiche
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Il campo elettromagnetico.
Equazioni di Maxwell per il campo elettromagnetico.
La propagazione delle onde elettromagnetiche.
Densità di energia del campo elettromagnetico.
Produzione e ricezione delle onde elettromagnetiche.
Quantità di moto e pressione di radiazione (*)
Nota: si indicano con l’asterisco (*) gli argomenti che possono essere oggetto di
approfondimento: sarà cura del docente valutare la possibilità di trattazione nelle proprie
classi.
4. Metodologia didattica
Partendo dalla consapevolezza che gli studenti:
nella maggioranza dei casi sono più motivati ad apprendere ciò che ha un’influenza diretta
sulla propria vita e sui propri interessi
devono essere aiutati a raggiungere un'effettiva comprensione di idee, concetti e teorie
fisiche (velocità, energia, carica, teoria atomica, relatività, ecc. sono creazioni
dall’intelligenza umana) presentandone l’origine, la connessione all’esperienza e le relazioni
reciproche
si reputano fondamentali sul piano metodologico:
l’elaborazione teorica che, a partire dalla formulazione di alcune ipotesi o principi,
gradualmente porta lo studente a comprendere come si possa interpretare e unificare
un'ampia classe di fenomeni fisici e avanzare possibili previsioni
la realizzazione di esperimenti da parte del docente e degli studenti singolarmente o in
gruppo, secondo un'attività di laboratorio variamente gestita (riprove, riscoperte, misure) e
caratterizzata da una continua ed intensa mutua fertilizzazione tra teoria e pratica, con
strumentazione semplice e talvolta raffinata e con gli studenti sempre attivamente
impegnati sia nel seguire le esperienze realizzate dall'insegnante, sia nel realizzarle
direttamente
l’applicazione dei contenuti acquisiti attraverso esercizi e problemi non intesi come
automatica applicazione di formule, ma come analisi critica del particolare fenomeno
studiato, e come uno strumento idoneo ad educare gli studenti a giustificare logicamente le
varie fasi del processo risolutivo.
5. Valutazione
Il dipartimento, quindi, conferma il VOTO UNICO (ottenibile con qualsiasi tipologia di prova,
orale, scritto, pratico, come descritto sopra) per il primo e il secondo biennio del corso di Liceo
Scientifico e del corso di Scienze Applicate. Considerato l’elevato numero di studenti per classe,
le verifiche si svolgono, prevalentemente, tramite prove scritte (domande aperte, vero/falso,
test a scelta multipla, problemi) articolate in modo che possano emergere distintamente le
competenze concernenti:
il possesso, la comprensione e la rielaborazione dei concetti studiati
l’applicazione alla risoluzione di problemi non banali dei contenuti appresi.
Le prove di verifica, sempre accuratamente preparate e corrette, sono costruite graduando le
difficoltà in modo che sia agevole individuare il livello di preparazione da tradurre in voto
decimale (si concorda di utilizzare i voti dal 2 al 10 per offrire la possibilità, con due prove agli
estremi della scala, di conseguire la sufficienza). La correzione di tutti i tipi di prova è condotta
su griglie di valutazione messe a punto dal dipartimento.
Si stabilisce che lo studente raggiunge il livello di preparazione sufficiente se:
conosce i concetti fondamentali anche solo a un livello elementare;
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conosce un numero sufficiente di nozioni, collegate ai concetti di cui sopra, tale da
consentire la risoluzione di problemi che ricalcano quelli affrontati nella fase preparatoria;
è in grado di comprendere il linguaggio fisico trattato, sì da potersi documentare
autonomamente su testi di livello confrontabile con quello del manuale e su riviste/libri
divulgativi;
è in grado di affrontare la realtà sperimentale, effettuando esperienze anche di carattere
solo elementare.
Per tutte le classi quinte, il dipartimento conferma la valutazione orale. Si ricorda quanto
stabilito al punto 2.a del primo verbale dell’anno 2013 – 2014: nel corso dell’anno, almeno
una delle prove per l’orale è opportuno che sia un colloquio, ciò anche per favorire lo sviluppo
di capacità espositivo-argomentative negli studenti in vista dell’esame finale.
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