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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MACERATACORSO DI LAUREA IN SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM85-bis)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
PERCHÉ QUESTO CORSO ?
La motivazione (oltre all’obbligo curricolare) nasce dalla necessità di migliorare la diffusione della cultura scientifica – in questo caso, di una
disciplina considerata tra le più difficili in assoluto.
Per questo è indispensabile curare la formazione degli insegnanti della scuola primaria. La padronanza dei concetti fondamentali – unita ad un minimo di manualità nella realizzazione di semplici esperienze, con materiali di facile reperimento – permette di evitare il formarsi di concezioni errate sul mondo reperimento – permette di evitare il formarsi di concezioni errate sul mondo
che ci circonda.
Ciò consente di costruirsi basi scientifiche solide, che – volendo – è possibile sviluppare ulteriormente negli anni successivi.
L’obiettivo a lungo termine è una generazione di allievi meno impauriti e prevenuti nei confronti dell’ ‘arida e fredda’ scienza...
... che di suo è già così ricca di creatività e bellezza da non aver proprio nulla da invidiare alle migliori discipline umanistiche.
PROGRAMMA
Il corso si articola in quattro moduli:
Meccanica (12 ore)
Astronomia e ottica (15 ore)
Fluidi, calore e temperatura (9 ore)
Fenomeni elettrici e magnetici (12 ore)
MECCANICA
Contenuti:
Grandezze fisiche, unità di misura, notazione scientifica. Vettori in due dimensioni. Punto materiale, sistemi di riferimento:
posizione, velocità, accelerazione. Grafici del moto.
Moti: rettilineo uniforme, uniformemente accelerato, parabolico, Moti: rettilineo uniforme, uniformemente accelerato, parabolico, circolare uniforme, armonico.
Concetto di forza. Principi della dinamica. Piani inclinati, attrito, molle. Statica e leve. Lavoro ed energia. Impulso e quantità di moto. Applicazioni semplici alla conservazione
dell’energia e agli urti (unidimensionali).
ASTRONOMIA E OTTICA
Contenuti:
L’aspetto del cielo e i suoi movimenti. Semplici osservazioni e piccoli esperimenti. I modelli del sistema solare. Leggi di
Keplero e legge di gravitazione universale. I pianeti, il loro movimento (apparente e reale) e le loro orbite. Satelliti naturali movimento (apparente e reale) e le loro orbite. Satelliti naturali
e artificiali e loro orbite. I corpi minori del sistema solare: asteroidi, comete e meteoriti.
Le approssimazioni dell’ottica geometrica. Leggi della riflessione e della rifrazione. Specchi piani, concavi e convessi.
Lenti sottili. Ingrandimento e legge dei punti coniugati. Cannocchiali, telescopi, microscopi e loro funzionamento.
FLUIDI, CALORE E TEMPERATURA
Contenuti:
Pressione. Differenza tra pressione e forza. La pressione atmosferica. Vasi comunicanti. Legge di Stevino e principio di
Pascal. Legge di Archimede. Esperienza di TorricelliPascal. Legge di Archimede. Esperienza di Torricelli
Concetti di calore e temperatura. Conduzione, convezione e irraggiamento. Dilatazione lineare, superficiale e di volume.
Capacità termica e calore specifico. Scambi di calore ed equilibrio termico. Calore latente e passaggi di stato.
FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
Contenuti:
Carica elettrica. Elettrostatica. Fenomeni di elettrizzazione per strofinio, induzione, contatto. Legge di Coulomb, campo strofinio, induzione, contatto. Legge di Coulomb, campo elettrico e potenziale. Corrente elettrica e leggi di Ohm.
Il magnetismo: effetti magnetici delle cariche elettriche in movimento. I magneti naturali. Induzione elettromagnetica e
legge di Faraday.
ATTIVITÀ DI LABORATORIO (10 ore)
Può essere visto come un quinto modulo,
trasversale. Queste ore saranno destinate alla
progettazione, costruzione ed esecuzione di
esperienze pratiche sugli argomenti del corso, da
utilizzare nell’attività didattica che lo studente
sarà chiamato a svolgere in classe. Alcuni spunti
per questo tipo di attività verranno comunque
forniti anche nel corso delle ore curricolari.
MODALITÀ DI ESAME
L’esame prevede una sola prova scritta, che consiste nella discussione di un argomento curricolare (scelto fra tre possibili) e nello sviluppo di un
percorso didattico in classe relativo a tale argomento.
Il voto, in trentesimi, sarà il risultato dei seguenti indicatori:
- correttezza e proprietà nell’uso del linguaggio (fino a 10/30)- correttezza e proprietà nell’uso del linguaggio (fino a 10/30)
- correttezza e completezza delle conoscenze disciplinari (fino a 10/30)
- capacità di elaborazione critica delle conoscenze per la progettazione di percorsi didattici destinati alla scuola dell’infanzia e alla scuola primaria
(fino a 10/30).ULTIM’ORA:Si sta considerando la possibilità di attribuire un punteggio (fino a 5 punti)
anche su lavori assegnati agli studenti relativamente alle attività di laboratorio. Gli studenti verranno informati appena possibile.
TESTI OBBLIGATORI E/O CONSIGLIATI
Non esistono testi obbligatori. Quello consigliato è
l’Halliday, Resnick, Walker: Fondamenti di Fisica, Ed.
Nuova Ambrosiana 2006, ma qualsiasi testo per il triennio Nuova Ambrosiana 2006, ma qualsiasi testo per il triennio
dei licei scientifici (come, per esempio, C. Romeni: Fisica
e realtà, Ed. Zanichelli, oppure il Caforio-Ferilli, Fisica!,
Ed. Le Monnier Scuola) può ugualmente andar bene come
riferimento.
MECCANICA (MODULO 1)
Si può dividere in
− CINEMATICA = si occupa solo (!) di descrivere il
movimento
− DINAMICA = studia anche le cause del movimento, in
termini di FORZE
CINEMATICA
La descrizione del moto necessita di COORDINATE, nella
forma di SISTEMI DI RIFERIMENTO.
Lo spazio che percepiamo alla nostra scala SEMBRA essere
tridimensionale, con l’aggiunta della variabile TEMPO.
Dunque sono necessarie TRE coordinate spaziali
(solitamente indicate con x, y, z).
La Fisica è spesso definita come la scienza che studia la “realtà”. Siccome non è tanto facile dire che cos’è davvero la realtà, si è cercato fare un passo avanti
definendo la Fisica come la disciplina che studia tutto
CENNI DI TEORIA DELLA MISURA
definendo la Fisica come la disciplina che studia tutto quanto è misurabile.
Ma che significa misurare? Vuol dire associare in qualche modo un numero (con uno strumento di misura, come vedremo) alla grandezza che si sta analizzando. In
questo modo essa acquista la qualifica di grandezza fisica.
Quindi:
MISURARE= associare un numero a una grandezza fisica
La definizione data non è rigorosa, perché presenta
problemi di circolarità logica. Infatti una GRANDEZZA
FISICA è proprio ciò che si può... misurare!
Comunque, a livello elementare, la definizione permette di
intraprendere l’analisi del mondo che ci circonda.
SÌ: colore (nel senso di lunghezza d’onda associata alla radiazione luminosa), campo elettrico, velocità,
accelerazione, corrente elettrica, energia cinetica, energia potenziale gravitazionale, energia potenziale
elastica, forza, pressione (forza/superficie)...
GRANDEZZE FISICHE?
elastica, forza, pressione (forza/superficie)...
NO: colore (nel senso di giallo, verde, beige, carminio), bellezza/bruttezza, intelligenza (alla faccia del Q.I.),
energia mentale, energia nervosa, energia positiva/negativa, pressione mentale, forza mentale...
Le liste che abbiamo dato non sono rigide come sembrano.
Può succedere infatti che, grazie ai progressi della scienza, una quantità diventi una grandezza fisica
(esempio: l’età del Sole, la composizione chimica delle stelle, la curvatura dello spazio-tempo). stelle, la curvatura dello spazio-tempo).
Però può anche succedere l’inverso!!
Un esempio celebre è l’impossibilità, riconosciuta fin dal 1927, di misurare contemporaneamente velocità e
posizione di un elettrone (o di altre particelle abbastanza piccole)
La cosa più importante da ricordare è questa: una misura non ha alcun valore se non esiste una stima del suo
ERRORE.
L’errore è qualcosa che si può ridurre, mai eliminare completamente: quindi esiste per ogni misura. completamente: quindi esiste per ogni misura.
Ma come si effettuano le misure? Di solito si utilizzano strumenti di misura, in grado di fornire dati più precisi delle stime “a occhio” (comunque largamente usate dai
fisici per farsi un’idea rapida dei fenomeni).
Esiste una grandissima varietà di strumenti, dal righello all’orologio atomico, ma tutti condividono alcune caratteristiche fondamentali:
- PORTATA: è l’intervallo massimo di valori (della grandezza fisica) che lo strumento riesce a misurare. Per esempio, la portata di un righello da 20 cm è proprio 20 cm. Un normale orologio a lancette ha una portata di 12 ore.
- PRONTEZZA: è la rapidità di risposta dello strumento. Un termometro a mercurio impiega circa otto minuti a misurare la temperatura del corpo
umano, mentre un moderno termometro digitale può fare la stessa cosa in meno di cinque secondi.
- SENSIBILITA’: è la più piccola divisione che esiste sulla scala dello strumento. Per esempio, un normale righello ha sensibilità 1 mm, cioè la
più piccola divisione apprezzabile sulla scala dello strumento.
- PRECISIONE: è il rapporto portata/sensibilità [alcuni testi riportano il rovescio: sensibilità/portata].
In generale, un errore può essere:
- ACCIDENTALE: dovuto alla scarsa abilità di chi misura oppure ai limiti dello strumento
TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 1
- CASUALE: generato da fluttuazioni imprevedibili
- SISTEMATICO: dovuto a malfunzionamento dello strumento di misura o a cause esterne di cui non si è tenuto conto.
Un esempio di errore accidentale è quello che si verifica quando misuriamo con un normale metro a nastro l’altezza di
un muro, tenendo però il nastro in posizione obliqua. In tal caso è chiaro che il valore ottenuto è superiore all’altezza
ERRORI ACCIDENTALI e SISTEMATICI
caso è chiaro che il valore ottenuto è superiore all’altezza effettiva del muro.
Un esempio di errore sistematico è invece quello che si ottiene misurando un intervallo di tempo con un orologio che “va avanti”. Tutti i valori in questo caso ottenuti saranno più
piccoli di quelli “veri”.
I tipi di errore che ci interessa considerare sono tre:
- ASSOLUTO. Per una misura L esso si indica con ∆L (oppure con EA(L), che significa appunto “errore assoluto su L”). Il simbolo ∆ è la lettera “delta” maiuscola
TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2
su L”). Il simbolo ∆ è la lettera “delta” maiuscola dell’alfabeto greco (che la Fisica saccheggia di frequente) e la scrittura ∆L si legge “delta L”: non rappresenta un prodotto!
L’errore assoluto ha le stesse unità di misura (metri, kg, secondi, eccetera) della grandezza associata; quando si fa un’equivalenza sulla grandezza, anche l’errore assoluto deve essere trasformato.
- RELATIVO. È il rapporto ∆L/L, cioè l’errore assoluto diviso per il valore della grandezza. La notazione per esso usata è ER(L) oppure anche ∆L/L. Trattandosi del rapporto di due quantità espresse nelle stesse unità, l’errore relativo non ha
TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2
quantità espresse nelle stesse unità, l’errore relativo non ha unità di misura: è un numero puro, senza dimensioni.
L’errore relativo è più importante dell’assoluto, perché esprime il grado di precisione di una misura: un esempio aiuterà a chiarire il concetto.
- PERCENTUALE. L’errore percentuale è una variante dell’errore relativo: si ottiene infatti da esso moltiplicandolo per 100.
TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2
Dal punto di vista concettuale l’errore percentuale è sostanzialmente uguale all’errore relativo. La moltiplicazione per 100 avrebbe lo scopo di lavorare con meno cifre decimali e virgole.
Misura 1: supponiamo di misurare un banco di scuola con un metro a nastro, trovando per la lunghezza il valore a = (750,0 ± 0,5) mm [domanda per voi: qual è la sensibilità del metro che si sta usando?]. L’errore assoluto è ∆a = 0,5 mm e l’errore relativo è ∆a/a = 0,5/750 = 6,7 ·10-4.
Misura 2: misuriamo, con un fascio laser e uno specchio, la distanza tra il punto in cui ci troviamo e un punto della superficie lunare . In questo caso un
TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2
punto in cui ci troviamo e un punto della superficie lunare . In questo caso un valore attendibile è D = 384456 km, con un errore assoluto ∆D = 50 cm, cioè 5·10-4 km.
Confrontiamo le misure di a e D: l’errore assoluto su a è mille volte piùpiccolo di quello su D, ma nessuno (spero) direbbe che la misura di a è più precisa. Il motivo è che D è MOLTO più grande di a! Infatti D è misurato assai meglio di a, perché il suo errore relativo è ER(D) = ∆D/D = = 5·10-4 /384456 = 1,3 ·10-9 , un numero cinquecentomila volte più piccolo di ER(a)!!