DOCENTE: Roberta Becca ANNO SCOLASTICO: 2019/20
TESTO ADOTTATO: James S. Walker, Fisica - Modelli teorici e problem solving – Vol. 3
Elettromagnetismo e Fisica moderna, Pearson Linx A) PERCORSO FORMATIVO
A1) CONTENUTI
Unità 1.1 INDUZIONE ELETTROMAGNETICA ▪ Induzione elettromagnetica
Esperienze di Faraday (1831): corrente indotta generata dalla variazione del flusso del campo magnetico. Legge di Faraday-Neumann (1845). Legge di Lenz (1834) e correnti parassite (correnti di Focault). Forza elettromotrice cinetica. Generatore elettrico (alternatore): principio di funzionamento; generazione della fem alternata.
▪ Correnti alternate
Corrente alternata e parametri caratteristici. Equazione oraria della fem alternata e della corrente alternata sinusoidale o “armonica”. Concetto di valore efficace; valori efficaci di corrente e tensione. ▪ Autoinduzione e induttanza
Concetto di autoinduzione. Induttanza (coefficiente di autoinduzione). Induttanza di un solenoide. Circuito RL alimentato in DC: dipendenza della corrente dal tempo in apertura/chiusura del circuito. ▪ Energia associata al campo magnetico
Energia immagazzinata in un’induttanza. Densità di energia associata al campo magnetico. ▪ Trasformatori; trasmissione di energia elettrica a grandi distanze. Nikola Tesla e la “guerra delle correnti”.
LABORATORIO:
▪ 1° e 2° Esperienza di Faraday (1831): correnti indotte generate dalla variazione del flusso del campo
magnetico (variazione di I e/o della geometria dell'apparato)
▪ Correnti parassite: magnete in caduta all'interno di tubi di PVC, Al, Cu, ottone ▪ Correnti parassite: “Pendolo di Focault”
Unità 1.2 EQUAZIONI DI MAXWELL E ONDE ELETTROMAGNETICHE ▪ Le equazioni di Maxwell
Comparazione tra flusso e circuitazione del campo elettrostatico e del campo magnetostatico. Generalizzazione a un campo magnetico variabile nel tempo: campo elettrico indotto. Il termine mancante: la corrente di spostamento e il corrispondente campo magnetico indotto (Legge di Ampere – Maxwell). Le equazioni di Maxwell; genesi del campo elettromagnetico e delle onde e-m.
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Produzione delle onde elettromagnetiche. Esperimento di Hertz (1887); trasmissione e ricezione di onde radio. Caratteristiche; velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto e in un mezzo, indice di rifrazione; rappresentazione dei campo E e B. Densità volumica di energia; E=cB; intensità, quantità di moto, pressione di radiazione. Polarizzazione della luce. Spettro elettromagnetico: sorgenti e
caratteristiche delle varie regioni.
Unità 2.1 RELATIVITA' RISTRETTA
Introduzione storica: la figura di Albert Einstein.
▪ Principio di relatività classica di Galileo e incompatibilità con le leggi dell'elettromagnetismo. Invarianza della velocità della luce; cenni all'esperimento con elettroni accelerati (Esperimento di Bertozzi,1964).
▪ 1905 - 1° Postulato e 2° Postulato della Relatività Ristretta.
▪ Relatività della simultaneità; paradosso del treno. Abbandono del concetto di tempo assoluto. ▪ Dilatazione dei tempi (esperimento mentale dell'orologio a luce). Il tempo proprio.
Introduzione dei parametri ϒ e β. Diagramma ϒ-v.
▪ Contrazione delle lunghezze nella direzione del moto relativo. Lunghezza propria.
Invarianza della dimensione trasversale al moto. Paradossi della relatività; paradosso dei gemelli e paradosso del raggio di luce. Esperimento con i muoni e legge di decadimento radioattivo.
▪ Trasformazioni di Lorentz.
▪ Composizione delle velocità e conferma dell'invarianza di c. ▪ Effetto Doppler relativistico; red shift e bue shift.
▪ Invariante “intervallo spazio-temporale” Δσ (con dimostrazione dell'invarianza). Confronto tra lo spazio euclideo e lo spazio-tempo quadridimensionale della RR.
▪ Diagrammi spazio-tempo di Minkowski. ▪ Quantità di moto relativistica; diagramma p-v.
▪ Massa relativistica; energia di massa (o energia a riposo); diagramma m-v; conferma del 2° postulato.E = mc2.
▪ Energia cinetica ed energia totale relativistica; diagrammi E-v. ▪ Invariante “quadrivettore energia-quantità di moto” (“enermoto”).
VIDEO: "La teoria della Relatività: fondamenti: la quantità di moto relativistica; lo spazio di Minkowski” – CIT
Unità 2.2 RELATIVITA' GENERALE (approfondimento)
VIDEO: “Einstein e la relatività generale” da 'Storia della scienza'
Estensione della RR a sistemi accelerati. Esperimenti ideali dell'uomo in un ascensore in caduta libera e dell'uomo in un'astronave.
1916 - Principio di equivalenza. Principio di relatività generale. Gravità come manifestazione della curvatura dello spazio-tempo.
Previsioni e verifiche della RG: l'eclissi solare osservata da Eddington (deflessione gravitazionale della luce); lenti gravitazionali; onde gravitazionali; cenni alla precessione del perielio ed al 'redshift' gravitazionale.
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Unità 3.1 TEORIA DEI QUANTI (1900 – 1925 - sviluppo storico della meccanica quantistica) ▪ La radiazione di corpo nero
Conoscenze in merito alla radiazione termica alla fine dell''800: Legge di Kirchhoff; spettro della radiazione di corpo nero; Legge di Stefan-Boltzmann; Legge di Wien. Tentativi di determinazione della funzione u(f,T): relazione di Rayleigh-Jeans; catastrofe ultravioletta. Ipotesi di Planck (1900) sul quanto di luce e costante di Planck h.
VIDEO “Max Planck” dalla collana “Pulsar: storia della scienza e della tecnica del XX secolo” - Le Scienze
▪ La quantizzazione dell’energia nelle onde elettromagnetiche
Conoscenze sull'effetto fotoelettrico tra la fine dell''800 e l'inizio del '900; esperimenti di Lenard (1902): evidenze sperimentali e interpretazione classica. Interpretazione di Einstein (“Sul punto di vista euristico circa la creazione e la trasformazione della luce”, 1905): i quanti di energia.
Energia, massa e quantità di moto dei fotoni; confronto con i parametri caratteristici di un'onda e-m. Effetto Compton (1923): conferma del comportamento corpuscolare della radiazione.
▪ La quantizzazione dell’energia nell’atomo
Breve riepilogo sulle conoscenze sulla struttura degli atomi tra la fine dell''800 e l'inizio del '900: esperimento di Thomson (1897), misura del rapporto e/m e scoperta dell'elettrone; modello atomico “a panettone”; esperimento di Rutherford (1908-1911) e modello atomico “planetario”.
Le serie spettrali dell’atomo di idrogeno (serie di Balmer). Modello semiclassico di Bohr dell'atomo di idrogeno (1913): postulati di quantizzazione; determinazione delle formule per il calcolo dei raggi e dei livelli energetici delle orbite quantizzate; deduzione della formula sperimentale di Balmer.
Unità 3.2 MECANICA QUANTISTICA(1925-1927)
▪ Dualismo onda-particella della radiazione e-m: riepilogo delle conoscenze sin qui acquisite (esperimento di Young sull'interferenza della luce da due fenditure del 1801 - cenni agli argomenti affrontati nella classe quarta; comportamento corpuscolare della radiazione: effetto fotoelettrico ed effetto Compton).
▪ Dualismo onda-particella della materia
Lunghezza d'onda di de Broglie (1924); applicazione ad oggetti macroscopici e microscopici. Cenni agli esperimenti di Davisson e Germer e di Thomson sulla diffrazione degli elettroni (1928). Applicazione delle onde di de Broglie al modello di atomo di Bohr: onde stazionarie; derivazione del postulato della quantizzazione delle orbite. Reinterpretazione di R. Feynmann dell'esperimento di Young della doppia fenditura per le onde d'acqua e gli elettroni: principio di complementarietà dei modelli ondulatorio e corpuscolare per le particelle (concetto di “particella quantistica”). ‘Il gatto di Schrödinger’.
Lettura brano di R.Feynman tratto da “La fisica di Feynman”
Principio di complementarietà nella forma enunciata da Bohr (1927). Principio di corrispondenza tra meccanica quantistica e meccanica classica. ▪ Principio di indeterminazione di Heisenberg
Misure e indeterminazioni: misurare significa perturbare; superamento del determinismo classico. Relazione di indeterminazione fra posizione e quantità di moto e fra energia e intervallo di tempo in cui viene misurata (1927). Dibattito tra i fisici favorevoli all'interpretazione probabilistica della meccanica quantistica; causalità e casualità.
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A2) METODI
La trattazione degli argomenti è stata affrontata con le seguenti modalità: - inquadramento generale dell’argomento in esame da parte dell’insegnante; - discussione in classe;
- ricorso a dimostrazioni matematiche; - esercitazioni numeriche;
- esperienze di laboratorio;
- letture tratte da testi di scienziati prestigiosi e da classici della scienza;
- presentazioni preparate dall'insegnante con approfondimenti sugli argomenti di fisica moderna; - richiamo sistematico al percorso storico e al cammino non sempre lineare della conoscenza per far comprendere le modalità dello sviluppo scientifico;
- richiamo alle applicazioni tecnologiche;
- utilizzo di filmati come approfondimento degli argomenti svolti in classe; A3) MEZZI
I mezzi utilizzati durante le lezioni sono stati i seguenti: - libro di testo;
- dispense fornite dall’insegnante; - testi di consultazione;
- attrezzature di laboratorio; - sussidi informatici.
B) VALUTAZIONE
B1) CRITERI
La valutazione di ogni singolo studente è stata attuata tramite verifiche alla fine di ogni argomento. Tali verifiche si sono basate su metodi il più possibile oggettivi, esplicitando ogni volta il punteggio assegnato ad ogni esercizio. Al momento della consegna della verifica corretta, la valutazione è sempre stata motivata ed indicati in maniera esplicita gli errori svolti; è sempre stata garantita un'ulteriore spiegazione agli studenti che ne abbiano fatta richiesta.
Per quanto riguarda il recupero delle insufficienze, le modalità generali sono state indicate all'inizio dell'anno e concordati in itinere con gli studenti coinvolti i percorsi personalizzati più idonei.
Per quanto riguarda la valutazione finale si è fatto riferimento agli obiettivi raggiunti e alle competenze acquisite, tenendo conto anche della costanza nell’impegno, dell’interesse e della partecipazione attiva alle lezioni. In particolare si è deciso di valorizzare i contributi personali degli studenti che, nonostante la situazione non favorevole del periodo finale dell’anno caratterizzato dalla didattica a distanza, hanno continuato ad arricchire le lezioni con interventi pertinenti, approfondimenti e sincero desiderio di capire.
B2) STRUMENTI
Sono stati utilizzati i seguenti strumenti di verifica: - trattazioni sintetiche di argomenti specifici;
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- test;
- problemi a risposta rapida;
- problemi richiedenti un’elaborazione articolata; - interrogazioni.
B3) REQUISITI PER LA VALUTAZIONE DI SUFFICIENZA
Come previsto dal PTOF di istituto, la valutazione di sufficienza viene espressa in funzione della percentuale di raggiungimento degli obiettivi della disciplina, dell’interesse e dell’impegno. Gli obiettivi minimi da conseguire per una valutazione di sufficienza sono elencati nel PTOF. C) OBIETTIVI RAGGIUNTI
Il comportamento della classe negli anni è stato sempre positivo: gli studenti hanno partecipato alle lezioni attivamente con domande e richieste di approfondimenti, mostrando generalmente interesse ed attenzione; tutti i ragazzi hanno contribuito costruttivamente al dialogo educativo con l'insegnante, ciascuno con le proprie peculiarità.
Alcuni studenti, in particolare, nel corso del triennio hanno partecipato con impegno ad attività di approfondimento proposte dall'insegnante come le Olimpiadi della Fisica e le EUSO, ottenendo in alcuni casi risultati eccellenti, e i corsi-laboratorio promossi dal Dipartimento di Fisica dell’Università e dal polo di ricerca del CNR di Bologna.
L'impegno a casa è stato nel complesso adeguato per la maggior parte dei ragazzi anche se con alcune distinzioni: molti studenti hanno lavorato con costanza e scrupolo nel corso di tutto il triennio, consolidando le proprie competenze ed acquisendo in alcuni casi solide conoscenze e una buona padronanza della disciplina, alcuni hanno studiato in maniera più superficiale ottenendo talvolta risultati inferiori alle potenzialità ma solo una esigua minoranza ha mostrato impegno e costanza non adeguati.
Il profitto della classe è così diversificato: da buono ad ottimo per 7-8 studenti, più che sufficiente o pienamente discreto per 8-9 studenti, appena sufficiente per 4-5 studenti. Questi ultimi hanno comunque lavorato nell’ultimo periodo per cercare di colmare le lacune, mostrando serietà e senza sottrarsi mai al dialogo educativo con l’insegnante.
Si può ragionevolmente ritenere di avere raggiunto i seguenti obiettivi (con diverso grado per ogni allievo):
- conoscenza degli argomenti disciplinari;
- capacità di inquadrare in un medesimo schema logico situazioni diverse; - capacità di applicare in contesti diversi le conoscenze acquisite;
- collegare le conoscenze acquisite con le implicazioni della realtà quotidiana; - riconoscere i fondamenti scientifici delle attività tecniche;
- riconoscere l’ambito di validità delle leggi scientifiche;
- distinguere la realtà fisica dai modelli costruiti per la sua interpretazione; - formulare ipotesi di interpretazione dei fenomeni osservati;
- analizzare fenomeni individuando le variabili che li caratterizzano; - stimare ordini di grandezza prima di usare strumenti o effettuare calcoli; - valutare l’attendibilità dei risultati sperimentali ottenuti;
- ricavare informazioni da tabelle, grafici e altra documentazione; - utilizzare il linguaggio specifico della disciplina.
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Allegato n. 10
MATERIA: SCIENZE NATURALI DOCENTE: Filippo Buscaroli ANNO SCOLASTICO: 2019/20 TESTI ADOTTATI:
- Bosellini Alfonso, Scienze della Terra (LE) Volume B Minerali, rocce, vulcani, terremoti Ed. Zanichelli
- Bosellini Alfonso, Scienze della Terra (LE) Volume C+D Atmosfera, fen. meteo, geomorf.
climatica + Tettonica placche Ed. Zanichelli
- Sadava David / Hillis David / Heller Graig et al, Chimica Organica, polimeri, biochimica e
biotecnologie 2.0 S Ed. Zanichelli