Titolo

METROLOGIA E METODOLOGIA DI INDAGINE

Motivazione e finalità

Modulo introduttivo a qualunque discorso di fisica. Con questo modulo ci si pone l’obiettivo di insegnare come affrontare lo studio della fisica contribuendo ad una prima comprensione della reale genesi e struttura del sapere scientifico. Il modulo si pone l’importante e delicato obiettivo di introdurre il punto di vista metodologico (metodo sperimentale),  metrologico (teoria della misura delle grandezze) e linguistico (matematizzazione) di una scienza empirica come la fisica allo scopo di ridurre l’indagine a quelle sole caratteristiche della realtà materiale che siano quantificabili e che si possano esprimere in termini matematici.

Durata

30 ore

Prerequisiti

In relazione al fatto che comunque ci si trova all’inizio del corso i prerequisiti richiesti sono minimi, tranne quelli di saper eseguire semplici operazioni aritmetiche e risolvere elementari equazioni di primo grado.

Contenuti

Grandezze fisiche, misure e unità di misura, sistema internazionale;

Errori nella misura e relativo calcolo delle incertezze;

Misurazione di lunghezze e spiegazione del funzionamento del calibro a corsoio;

Calcolo del valore medio, dell'errore assoluto, relativo e percentuale

Moda, mediana, frequenza assoluta e relativa, istogrammi;

Esperimenti di Laboratorio

1) Misurazione diretta della lunghezza di un cilindretto metallico mediante un calibro a corsoio ventesimale e un micrometro centesimale e applicazione concreta della teoria degli errori nel caso di misure ripetute;

2) Misurazione indiretta della superficie di un vetrino rettangolare mediante il calibro a corsoio e applicazione della legge di propagazione degli errori nel caso di misure indirette; misurazione diretta della superficie di un poligono mistilineo mediante il metodo della carta quadrettata (a casa);

3) Misurazione indiretta del volume di un cilindretto metallico mediante il metodo della provetta graduata e della buretta e confronto del risultato ottenuto mediante il metodo geometrico;

Obiettivi

Conoscenze:

- argomento della fisica: la fisica come scienza sperimentale e il problema del metodo;

- i mattoni dell’edificio della fisica: le grandezze fisiche e il S.I.;

- il criterio operativo, i campioni e le unità di misura;

- un primo approccio alla  teoria degli errori e alla elaborazione statistica dei dati: misure ripetute, valor medio, incertezza assoluta, relativa e percentuale;

Competenze:

- saper riconoscere le grandezze fisiche di base (lunghezza, superficie, volume, tempo, massa, angolo piano) e le relative unità di misura nel S.I. effettuando semplici elaborazioni su di esse;

- saper calcolare valore medio, incertezza assoluta, relativa e percentuale di una serie di misure; saper valutare la precisione delle misurazioni e saper presentare il risultato di una misurazione indicandone l'intervallo di attendibilità; 

- saper raccogliere ed ordinare i dati mediante tabelle di dati con la relativa didascalia ;

- saper costruire e interpretare un istogramma delle frequenze;

Capacità:

- valutare criticamente i dati raccolti ponendoli a confronto con un modello teorico di elaborazione sapendo trarre utili deduzioni;

- essere consapevoli dell’importanza delle grandezze fisiche nella fisica;

- saper organizzare e condurre esperienze quantitative affidabili per poterle interpretarle con criterio matematico  rigoroso;

Spazi strumenti e strategie

Laboratorio di fisica

Aula normale

Verifiche e valutazioni

STRUMENTI PREDISPOSTI PER LA VERIFICA SOMMATIVA

Test a risposta multipla  (5 risposte chiuse ), composto da 30 quesiti; 
Risultati:
Conoscenza:

0-4 fortemente insufficiente [1punto]
5-9 insufficiente [2punti]
10-14 sufficiente [3punti]
15-18 pienamente sufficiente [4punti]

Competenza:
0-3 insufficiente [0-1punto]
4-6 sufficiente [2-3punti]

Capacità:
0-3 insufficiente [0-1punto]
4-6 sufficiente [2-3punti

Titolo

PROPRIETÀ’ DELLA MATERIA

Motivazione e finalità

Si tratta di un modulo impegnativo perché introduce le rappresentazioni tabulari e grafiche dei dati degli esperimenti, le relazioni matematiche tra le variabili e i metodi di ricerca e di conferma di un modello rappresentativo del fenomeno studiato.

Con questo modulo ci si pone l’obiettivo di iniziare lo studio delle proprietà della materia, partendo da quelle più direttamente osservabili e misurabili, come la “quantità” e la “qualità”della materia contenuta in un corpo. Questo permette di introdurre il problema della struttura della materia guidando gli allievi ad approfondire i concetti inerenti alle proprietà fisiche delle sostanze mediante l’importante categoria metodologica del criterio operativo. Il modulo pertanto si pone il decisivo e delicato obiettivo di introdurre convincentemente il modello particellare della materia permettendo altresì di continuare nello sforzo metodologico riguardante il procedimento che porta dall’esperimento alla legge fisica.

Durata

36 ore

Prerequisiti

Sono gli obiettivi previsti in uscita dal modulo n. 1: 
- conoscenza del metodo sperimentale di indagine; 
- conoscenza delle grandezze e delle unità di misura del S.I.; 
- capacità di gestione ed elaborazione dei dati sperimentali posti in forma tabulare; 
- calcolo del valor medio, dell'incertezza assoluta, relativa e percentuale di una serie di misure; 

Contenuti

Massa e densità

Concetto di modello interpretativo della struttura della materia;

Concetto di massa e peso e loro differenza

Concetto di proporzionalità diretta

Elasticità e forze elastiche: dall'esperimento al modello matematico;

Un modello di corpo perfettamente elastico per il fenomeno dell'allungamento di una molla: formalizzazione matematica e legge di Hooke;

Gli strumenti di misurazione delle forze: il dinamometro

Dal modello alla legge fisica e limiti di validità di una legge fisica

Esperimenti di Laboratorio

4)  Esperimento relativo alla valutazione quantitativa della elasticità di alcune sostanze sottoposte a deformazioni causate da un peso;

5) Conferma empirica della legge di Hooke relativa all'allungamento prodotto in una molla e forza peso applicata e misurazione indiretta della costante elastica della molla;

6) Costruzione e taratura di un dinamometro a molla e ad elastico e prima valutazione del fenomeno dell'isteresi meccanica;

Obiettivi

Conoscenze:

- massa, volume, densità assoluta;

- i grafici cartesiani;

- proporzionalità diretta tra due grandezze fisiche;

Competenze:

- Conoscere gli stati di aggregazione della materia;d

- utilizzare correttamente strumenti come una bilancia, un dinamometro a molla, riconoscendone portata e sensibilità;

- comprendere l’importanza di un modello interpretativo nei fenomeni fisici;

Capacità:

- raccogliere, ordinare rappresentare i dati con chiara consapevolezza degli ordini di grandezza e delle approssimazioni;

- individuare relazioni tra due variabili e comprendere il procedimento per stabilire relazioni tra più variabili;

 - saper progettare e svolgere esperienze quantitative affidabili per poterle interpretarle con criterio matematico  rigoroso;

- utilizzare, comprendendone l’utilità e i limiti, semplici modelli esplicativi per la descrizione e l’interpretazione di alcune proprietà della materia;

Spazi strumenti e strategie

Laboratorio di fisica

Aula normale

Verifiche e valutazioni

STRUMENTI PREDISPOSTI PER LA VERIFICA SOMMATIVA

Test a risposta multipla  (5 risposte chiuse ), composto da 30 quesiti; 
Risultati:
Conoscenza:

0-4 fortemente insufficiente [1punto]
5-9 insufficiente [2punti]
10-14 sufficiente [3punti]
15-18 pienamente sufficiente [4punti]

Competenza:
0-3 insufficiente [0-1punto]
4-6 sufficiente [2-3punti]

Capacità:
0-3 insufficiente [0-1punto]
4-6 sufficiente [2-3punti

Titolo

EQUILIBRIO INVARIABILE NEL TEMPO

Motivazione e finalità

E’ il terzo modulo del  biennio a indirizzo scientifico. Si sviluppa soltanto nell’ambito disciplinare della sola fisica e si rivolge ai giovani di secondo anno. A causa del poco tempo a disposizione (1 h settimanale) è composto da una sola unità didattica, compatta e sintetica. Le ragioni del modulo sono evidenti: si tratta di un modulo che si propone di indagare le cause dell’azione di uno o più vettori nel fenomeno dell’equilibrio dei corpi in chiave introduttiva al successivo e ultimo modulo di cinematica del punto. Si colloca all’inizio del secondo anno e non si presta bene a una trattazione pluridisciplinare con altri docenti a causa della sua componente molto tecnica. E’ destinato a un gruppo-classe non molto grande (10-15) nel quale sono obbligatorie esercitazioni di laboratorio per piccoli gruppi. E’ un modulo di base per l’indirizzo scientifico che tutti gli allievi devono conoscere bene perché introduce alle conoscenze di come si comportano, dal punto di vista statico e dinamico, i corpi sollecitati da forze. Con questo modulo ci si pone l’obiettivo di far apprendere i procedimenti fondamentali che portano all’equilibrio dei corpi mediante la definizione operativa di vettori, come la forza, e delle conseguenze che l’azione di un gruppo di questa gg.ff. vettoriali producono sui corpi. Il modulo, pertanto, è finalizzato a conseguire il preciso scopo di abituare gli allievi all’uso ragionato e concreto di una grandezza fisica vettoriale molto importante nei successivi sviluppi della disciplina.

Durata

11 h

Prerequisiti

Sono alcuni degli obiettivi previsti in uscita dai moduli precedenti: 
- raccogliere, ordinare e rappresentare dati utilizzando le approssimazioni più opportune;
- conoscenza della natura fisica di una forza;
- saper utilizzare il teorema di Pitagora;

Contenuti

Le forze applicate ai solidi, il peso, i vettori, le operazioni di somma e di differenza di vettori, la  regola del parallelogramma. La composizione delle forze e l'equilibrio del punto: annullamento delle traslazioni e delle rotazioni, le leve;

Semplice cenno introduttivo alle funzioni trigonometriche di seno, coseno e tangente di un angolo per il calcolo delle componenti di un vettore;

La forza peso e le caratteristiche dei vettori.  Scomposizione lungo due direzioni assegnate: prima e seconda legge della statica.

Esperimenti di Laboratorio

Ricerca sperimentale e validità della condizione di equilibrio di un’asta rigida vincolata con un asse fisso;

Obiettivi

1) conoscenze

- natura vettoriale delle forze e composizione vettoriale delle forze;

- equilibrio dei corpi;

- equazioni cardinali della statica;

- concetto di seno, coseno e tangente di un angolo;

2) competenze

- saper eseguire misure di forze;
- saper porre e determinare le condizioni di equilibrio per corpi solidi; 

- saper scomporre un vettore determinando le sue componenti;

- saper comporre due vettori determinando il risultante e la sua direzione;

3) capacità

- capacità di saper trarre semplici deduzioni teoriche e confrontarle con i risultati previsti;

- saper progettare e condurre esperienze quantitative affidabili per poterle interpretarle con criterio matematico  rigoroso;

Titolo

IL MOTO

Motivazione e finalità

E’ il quarto modulo, o modulo conclusivo, del corso biennale di liceo scientifico. Si sviluppa nel solo ambito disciplinare della fisica in quanto sono necessarie competenze didattiche molto specifiche per dominare la varia e diversificata attività sperimentale e si rivolge agli studenti di secondo anno che stanno per terminare il corso biennale. E’ composto da 2 unità didattiche. Le ragioni del modulo sono evidenti: si tratta di un modulo importantissimo che introduce gli allievi allo studio della meccanica. Si colloca alla fine del secondo anno a conclusione del corso e, data la natura fortemente empirica del modulo, non si presta a una trattazione pluridisciplinare. E’ destinato a un gruppo-classe non molto grande (10-15),con studenti omogenei. Il prezzo da pagare è che il modulo prevede l’uso della guidovia a cuscino d’aria che mal si presta ad un effettivo lavoro di gruppo. Si prevede pertanto di far lavorare i ragazzi a turno per rilevare le misure di distanze e  di tempi. E’ un modulo fondamentale e di base (per tutti gli studenti di biennio e di triennio) che tutti gli allievi devono conoscere perché introduce alle conoscenze e competenze di come si studia il movimento. Sono obbligatorie esercitazioni di laboratorio. Con questo modulo ci si pone l’obiettivo di introdurre i termini e  i concetti adatti alla descrizione del moto dei corpi e di studiare i due più semplici e tipici movimenti: il moto rettilineo uniforme e quello uniformemente accelerato. Attraverso questi due basilari approcci di tipo cinematico e, se rimarrà tempo, anche dinamico si potrà pervenire a una prima analisi dei caratteri generali del moto sia dal punto di vista del “come” si muovono i corpi, sia dal punto di vista del “perché” essi si muovono in una certa maniera piuttosto che in un’altra,

Il modulo pertanto, nel porsi una meta apparentemente riduttiva dal punto di vista contenutistico (solo due tipologie di moto per giunta rettilinei), si pone l’importante e delicato obiettivo di introdurre il punto di vista metodologico (modello di punto materiale del moto allo scopo di concentrare l’attenzione e l’interesse dei giovani sulle tipologie di base dei fenomeni meccanici del movimento e sulla elaborazione dei dati sperimentali.

Durata

22 h

Prerequisiti

Sono gli obiettivi previsti in uscita dai moduli n. 1,2 e 3: 
- conoscenza del metodo sperimentale di indagine; 
- conoscenza delle grandezze e delle unità di misura del S.I.; 
- capacità di gestione ed elaborazione dei dati sperimentali; 
- calcolo del valor medio, dell'incertezza assoluta, relativa e percentuale di una serie di misure;

Contenuti

La descrizione cinematica e dinamica del moto;

Concetto di modello del moto ;

Il moto di un carrello: dall'esperimento al modello matematico: costruzione grafica dei diagrammi (t,s), (t,v) e (t,a);

Un modello di moto perfettamente rettilineo e uniforme per il fenomeno del moto di un carrello su una guidovia a cuscino d'aria: formalizzazione matematica e legge del moto; Dal modello alla legge fisica e limiti di validità di una legge fisica;

Esperimenti di Laboratorio

1) esperimento relativo alla conferma empirica della legge del m.r.u.

2) conferma empirica della legge del  m.r.u.a;

3) conferma empirica della prima e della seconda legge della dinamica dinamica relativa alla relazione di proporzionalità diretta tra F ed a;

Obiettivi

1) conoscenze

- traiettoria e legge oraria;

- velocità e accelerazione;

- le leggi della dinamica;

- massa e peso dei corpi;

2) competenze

- saper utilizzare le grandezze fisiche spostamento, tempo, velocità e accelerazione nei diversi contesti cinematici;

- saper studiare  diversi tipi di moto: morto rettilineo uniforme e moto rettilineo uniformemente accelerato;

- riconoscere le forze come causa delle variazioni del moto dei corpi o del loro equilibrio; 

-riconoscere le relazioni di proporzionalità esistenti tra forza e accelerazione; 

- valutare le forze agenti su un corpo poggiato su un piano inclinato.

- utilizzare correttamente strumenti come un cronometro, un righello flessibile, un dinamometro a molla, riconoscendone portata e sensibilità;

- padroneggiare gli aspetti matematici riguardanti le forme delle funzioni e dei grafici cartesiani di 1° e  2° grado;

3)capacità

- comprendere l’importanza di un modello interpretativo nei fenomeni fisici;

- saper progettare e condurre esperienze quantitative affidabili per poterle interpretarle con criterio matematico  rigoroso;