LICEO CLASSICO SPERIMENTALE STATALE "B. RUSSELL" DI ROMA

PROGRAMMA DI FISICA E LABORATORIO

Il Programma di Fisica che si intende svolgere nella classe 3° Triennio B dell’indirizzo scientifico intende esaurire gli argomenti previsti dal curricolo del Liceo in relazione all’Ipotesi di Sperimentazione del Triennio.

Come è noto la fisica del ‘900 ha radicalmente modificato le nostre concezioni sul reale e sulla conoscenza, influenzando profondamente gli altri saperi e collocandosi, nel pensiero del nostro secolo, in una posizione centrale, analoga a quella assunta dal pensiero newtoniano e meccanicista nei secoli XVII e XVIII.

Da questo punto di vista il corso di fisica che si intende svolgere nell’ultimo anno del liceo non si propone di insistere esclusivamente sul paradigma della fisica classica e desidera evitare pertanto di rafforzare la mentalità meccanicista e un ingenuo realismo inadeguati, come si sa, alla comprensione della fisica moderna.

Una parte rilevante del corso è dunque rivolta alla trattazione di argomenti di fisica moderna (essenzialmente Meccanica Quantistica e, se ci sarà tempo anche Teoria della relatività) e gli argomenti di carattere più strettamente applicativo si intendono trattare in maniera molto sintetica.

In questa prospettiva gli argomenti più significativi che si intendono proporre agli allievi sono i seguenti:

1. il concetto di campo che permette di mettere in evidenza il diverso quadro concettuale a cui fanno riferimento le interazioni di tipo gravitazionale, elettrico e magnetico;
2. i principi di conservazione che costituiscono uno strumento essenziale per analizzare temi anche al di fuori della meccanica classica;
3. l’elettromagnetismo classico che tratta in modo esauriente e significativo le equazioni di Maxwell;
4. la teoria della relatività che giustifica e chiarisce le ragioni della crisi di alcune categorie scientifiche cosiddette assolute (affrontata parzialmente l’anno scolastico precedente);

Il manuale adoperato (a scorrimento) è:

• M. FAZIO-M. C. MONTANO, FISICA per i licei scientifici, Vol.3, Milano, A. Mondadori, 1997.

Il corso consiste di lezioni teoriche e di esercitazioni di laboratorio che hanno lo scopo di aiutare gli studenti a interagire con gli strumenti elettrici di misura più semplici e comuni adoperati nello studio dei circuiti elettrici e procedere alla misurazione di alcune grandezze fisiche (R, L e C) caratterizzanti il programma di studio.

• Legge gravitazionale di Newton e legge elettrostatica di Coulomb: la deduzione delle due leggi di interazione gravitazionale ed elettrostatica;
• La costante dielettrica assoluta ε e quella relativa ε_r;
• Gli esperimenti con le bilance a torsione unifilari di Cavendish e di Coulomb: misurazione indiretta di G e validità della correlazione con l’inverso del quadrato;
• Modelli antagonisti di tipo azione a distanza-campo elettrico e fluidi particellari elettrici mono e bi-carica;
• Il concetto di campo vettoriale di forza e i campi gravitazionali H ed elettrici E. La definizione operativa e formale del campo gravitazionale H ed elettrico E: analogie e differenze;
• Il ruolo del campo gravitazionale ed elettrico nei fenomeni gravitazionali ed elettrostatici;
• Considerazioni energetiche associate ai campi: energia cinetica e potenziale gravitazionale ed elettrostatica: l’elettronvolt;
• La deduzione della formula dell’energia potenziale gravitazionale ed elettrostatica;
• L’energia potenziale, il potenziale e la relazione notevole campo-potenziale;

• Flusso del campo gravitazionale Φ_s(H) ed elettrico Φ_s(E) e Teorema di Gauss limitatamente al caso di un sistema gravitazionale ed elettrostatico a simmetria sferica;
• Campi vettoriali e superfici equipotenziali gravitazionali ed elettrostatici;
• Circuitazione dei vettori campo gravitazionale C(H) ed elettrico C(E): diverse modalità di definizione della conservatività dei vettori campo gravitazionale ed elettrico in condizioni di stazionarietà;

• Moto di un punto materiale e di una carica elettrica puntiforme in un campo gravitazionale ed elettrico: varie modalità, analogie e differenze;
• L’esperimento di Millikan e la quantizzazione della carica elettrica;
• I condensatori elettrici: aspetti circuitali ed energetici;
• Collegamento di condensatori in serie e in parallelo: calcolo della capacità equivalente;
• Scarica di un condensatore: studio fisico della correlazione esponenziale I=f(t);

• Analisi fisica di semplici circuiti elettrici in corrente continua: f.e.m., d.d.p., resistenza elettrica dei conduttori, resistenza interna dei generatori e leggi di Ohm;
• Collegamento di resistenze in serie e in parallelo, principi di Kirchhoff e legge di Joule relativa all'effetto termico della corrente elettrica;
• Lavoro e potenza elettrica di una corrente continua;

• Correnti elettriche in campi magnetici: effetto magnetico della corrente elettrica;
• Il campo magnetico vettoriale B e la forza magnetoelettrica esercitata su di una corrente elettrica;
• La forza di Lorentz e il moto di una carica elettrica in un campo magnetico uniforme: considerazioni energetiche sul diverso ruolo giocato dall'azione di un campo elettrico E e di un campo magnetico B su una carica elettrica in moto immersa in essi;
• L'esperimento di J.J. Thomson e la misura della carica specifica e/m degli elettroni ;
• Il ruolo di Faraday nella prima fase dello sviluppo delle conoscenze dei fenomeni elettrici e magnetici;
• Campo magnetico B prodotto da semplici sistemi simmetrici, come fili rettilinei, spire e solenoidi molto lunghi : leggi di Biot e Savart;
• Permeabilità magnetica assoluta μ e relativa μ_r;
• Azioni elettrodinamiche fra correnti elettriche e definizione elettrodinamica dell'ampère;
• Momento torcente di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente elettrica;

• Teorema della circuitazione di Ampere;
• Flusso del campo magnetico Φs(B ) e Teorema di Gauss nel caso magnetico;

• Esperienze di Faraday sulle correnti indotte e altri casi di correnti indotte;
• Induttanza di un circuito e autoinduzione elettromagnetica;
• Analisi fisica parallela tra campi elettrici, magnetici e gravitazionali: differenze ed analogie tra campo elettrico E, campo magnetico B e campo gravitazionale H : quale/i di essi è conservativo e/o solenoidale, e perchè?

• La corrente di spostamento e il campo elettromagnetico;
• Produzione e propagazione delle onde e.m.: analisi fisica e aspetti qualitativi;
• Le equazioni di Maxwell e il loro ruolo nella descrizione dei fenomeni dell'elettromagnetismo classico;
• Il ruolo di Maxwell nella fase finale di sistemazione delle conoscenze dell'elettromagnetismo classico;
• Onde elettromagnetiche e loro proprietà: caratteristiche fisiche delle onde elettromagnetiche;
• Equazione di un'onda elettromagnetica piana sinusoidale;
• Hertz e la rivelazione delle onde e.m.;
• Energia elettromagnetica associata alla propagazione;
• La luce e lo spettro elettromagnetico: classificazione delle onde e.m.;

• Le ragioni della nascita della meccanica quantistica.;
• La teoria classica della radiazione del corpo nero;
• Leggi di Kirchhoff, di Stefan-Boltzmann, di Wien, di Rayleigh e Jeans e la catastrofe dell’ultravioletto;
• Legge di Plank per lo spettro del corpo nero, l’ipotesi dei quanti e gli aspetti corpuscolari della radiazione;
• Il fallimento della legge classica dell’emissione, il prezzo del successo nella spiegazione dello spettro del corpo nero e la rinuncia alle leggi dell’elettromagnetismo classico;
• Il problema dell’interpretazione dell’effetto fotoelettrico;
• L’interpretazione dell’effetto fotoelettrico secondo Einstein: l’ipotesi dei fotoni;
• Plank, Einstein e il rifiuto dell’ipotesi dei quanti di luce;
• L’effetto Compton;
• Il modello planetario dell’atomo: l’atomo di Rutherford;
• Un atomo stabile: il modello quantistico di Bohr;
• Spettri di emissione degli atomi: la formula di Rydberg dedotta dai dati sperimentali;
• Righe spettrali, numeri quantici e struttura elettronica degli atomi complessi;
• La quantizzazione dei livelli energetici dell’atomo e alcuni limiti del modello di Bohr;
• L’esperimento di Frank ed Hertz relativo alla prova dei livelli energetici atomici;
• Gli aspetti ondulatori della materia. Le onde di De Broglie associati alla materia;
• Il dualismo ondulatorio-corpuscolare;
• Le onde materiali e l’onda associata di De Broglie;
• Introduzione di una lunghezza d’onda per le particelle;
• Verifica sperimentale delle proprietà ondulatorie della materia: l’esperimento di Davisson e Germer;
• La meccanica ondulatoria di Schrodinger;
• L’interpretazione probabilistica della M.O.;
• La funzione d’onda y , il suo significato e la sua interpretazione statistica basata sul concetto di probabilità;
• L’effetto tunnel;
• Il principio di indeterminazione di Heisemberg;
• Ruolo della costante di Plank nei fenomeni microscopici;
• Il principio di complementarità;
• Inadeguatezza della logica deterministica nella spiegazione dei fenomeni microscopici;
• Superamento della logica deterministica e del principio di causalità e loro sostituzione con le categorie fondamentali del pensiero fisico contemporaneo legate al concetto di probabilità.

5. ALCUNE RIFLESSIONI STORICHE ED EPISTEMOLOGICHE

• La Scienza : oggetto, campo di indagine e i suoi caratteri. Il problema del metodo : il metodo sperimentale e il linguaggio della matematica. La logica induttiva e l'elaborazione delle teorie; il ruolo dell'osservazione e dell'esperimento nella fase pionieristica della metodologia galileiana;
• Le scienze teoriche e quelle empiriche : criterio di demarcazione e peculiarità dell'indagine delle scienze sperimentali. Leggi empiriche e teoriche. Il rapporto modello-teoria. Il ricorso ai modelli nella fisica : lo sviluppo logico del metodo della ricerca scientifica: dalla teoria, al modello, all'ipotesi, al successivo controllo empirico delle asserzioni ipotetiche e alla legge del fenomeno;
• La transitorietà e la fondamentale rivedibilità delle teorie scientifiche; I requisiti generali e particolari dei due modelli fondamentali affrontati durante il corso : il modello di campo gravitazionale ed elettromagnetico come modelli vincenti rispetto ai modelli di azione a distanza dell’interazione gravitazionale ed elettrostatica. Le trasformazioni dei paradigmi della fisica classica come rivoluzioni scientifiche.

• Conferma empirica della validità della 1ª e 2ª legge di Ohm (*);
• Controllo sperimentale della regola del collegamento in serie e in parallelo di più resistori;
• Misurazione indiretta e strumentale della resistenza elettrica di un resistore mediante i metodi volt-amperometrico, del ponte di Wheatstone e del ponte a filo;
• Conferma empirica della legge di Joule relativo all'effetto termico della corrente elettrica mediante il calorimetro di Regnault;
• Rilevamento sperimentale delle linee di forza di un campo magnetico mediante l'esperimento di Oersted e conferma empirica delle interazioni elettrodinamiche di Ampere;
• Controllo sperimentale del fenomeno dell'induzione e.m. di Faraday;
• Misurazione indiretta della induttanza e della capacità di un condensatore in corrente alternata.

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