Dalla polarizzazione della luce agli stati quantici della

materia “passando” per i fotoni in un ITIS di ScampiaMaria

MorettiMaster IDIFO

La comunicazione riguarda

Risultati di una

sperimentazione didattica

Esito dell’esperienz

a di formazione

come insegnante

borsista Master IDIFO

Condotta come studio di fattibilità

Sull’insegnamento

della MQ in un ITIS

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Master M-IDIFOCorso di formazione per insegnanti su

Innovazione Didattica in Fisica e Orientamento

Coordinamento Università di Udine

18 atenei cooperanti

Corsi in rete e/o in presenza

OFFerta didattica di 60 cfu/135 cfu

9 cfu di Meccanica Quantistica

3 corsi di 3cfu ciascuno

Aspetti epistemologici (FM)

Analisi critica su nodi concettuali

Percorsi didattici basati sulla ricerca

Innovazione e progettazione didattica

Sperimentazione in classe

Validare le proposte e indagare su processi

d’apprendimento

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Formazione scelta su MQMichelini M - Stefanel A

1. IL NUOVO MODO DI PENSARE DELLA

FISICA QUANTISTICA E IL

FORMALISMO DI DIRAC

2. NODI CONCETTUALI DELLA MQ

3. PROPOSTE DIDATTICHE DI FISICA

QUANTISTICA: ANALISI COMPARATA

4. SCUOLA ESTIVA NAZIONALE DI

FISICA MODERNA PER TALENTI

Udine 2011

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Le scelte di fondo Approccio alla DiracFotoni polarizzati l inearmente

con fi ltri polaroid, possono essere descritti quantisticamente

associando, a stati di polarizzazione ortogonali, delle proprietà che ne defi niscono lo

stato quantico, e introducendo il principio di sovrapposizione

lineare per descrivere il fotone in un qualunque altro stato di

polarizzazione

La proposta didattica alla base della formazione in MQ

Affrontare i nuclei concettuali

piuttosto che raccontare passi storici della MQ

Ricorrere alla rappresentazione

iconografica per introdurre il formalismo

Esplorare come contesto

fenomenologico la polarizzazione della

luce

Focalizzare la trattazione teorica

concetto di stato quantico

principio di sovrapposizione lineare

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Passaggi-chiave del percorso

esperimenti esplorativi su

interazione luce - polaroid

legge di Malus esperimenti ideali a

singolo fotone

linguaggio iconografico nell’analisi di esperimenti

ideali

analisi di situazioni con esiti certi e aleatori

analisi di ipotesi interpretative

sui fotoni polarizzati a 45°

costruzione operativa della polarizzazione

legge di Malusstato di polarizzazione e proprietà fisica fotone

interpretazione probabilistica

della legge di Malus

concetto di stato quantico polarizzazione - proprietà

dinamicasistema quantisticoproprietà mutuamente

esclusive proprietà incompatibili

misura come transizione di stato

principio di sovrapposizione lineare

indeterminismo non epistemico

identità dei sistemi quantistici

principio d’indeterminazione

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Il contestoIstituto Tecnico Industriale ″Galileo Ferraris″di

ScampiaClasse V - 12 studenti (2 ragazze e 10

ragazzi)Indirizzo Elettronica e Telecomunicazioni

Sperimentazione effettuata nel corso di Telecomunicazioni

doc. acc. Prof. Giovanni Ciardo

10 ore in orario curricolare2 h X 5 settimane (febbraio/marzo 2012)

8 incontri laboratorio attivo - 1 di riepilogo/restituzione finalePrerequisiti

Fisica di base (primo biennio) Cenni su argomenti di FM non sistematici

(motivazione)

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I l lavoro in classefasi - strategie - metodi

ANALISI D I S ITUAZIONI IDEALI in t roduz ione a i prob lemi concettua l i att iv i tà ind iv idua le e /o a p icco l i gruppi

basate su st imol i e sugger iment i de i tutor ia l

RIEP ILOGO E REST ITUZ IONE DE I R ISULTAT I AGL I STUDENTI

INTRODUZIONE • le 6 idee ch iave ne l l ’evo luz ione stor ica

de l la MQ• presentaz ione de l la sper imentaz ione e

concett i card ineESPLORAZIONE DELLA FENOMENOLOGIA

DELLA LUCE POLARIZZATA- su l la lavagna luminosa a grande gruppo- a p icco l i gruppi con k i t d idatt ico e uso d i

tutor ia l - r iep i logo a grande gruppo

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Testimonianze

La classe

Esplorazione fenomenologica

Compilazione

tutorial

La lezione

Esempio di tutorial

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Strumenti e metodi per l’analisi dati

Strumenti• Script degli studenti• Interviste• Video analisi dei lavori di gruppo e

delle discussioni collettive

Analisi con metodologie della ricerca qualitativa Creazione di un DB di tutte le

risposte Identificazione di classi di risposte Strutturazione degli esiti in

ciascuna classe Discussione e risultati

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Analisi Scheda 5 - Dall'esperimento di Malus alla situazione ideale

Un fascio di luce polarizzata di intensità Io incide su un Polaroid, il cui coefficiente di trasmissione é T. Sperimentalmente si è trovato che l'intensità della luce trasmessa è data da: A1. Quali aspetti della fenomenologia sono descritti dal coefficiente T (il significato fisico di T)?

intensità della trasmissione 1

indice di trasmissione 1

Diminuzione IT [intensità luce trasmessa] È una costante che varia con cos2

10

- 𝜃 viene guardato quasi da tutti come un operatore sistemico che trasforma la grandezza intensità dall’input all’output

- Solo uno studente riconosce T come un indice di trasmissione (adimensionale)

IT()=Io T cos2

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• Tutti rinunciano a un’analisi della grandezza fisica a favore dell’assunzione di un suo valore in condizioni ideali

• La semplificazione di calcolo è il solo punto di vista degli studenti

• Il contesto ideale è esplicitamente privilegiato da molti

A1.2 Il suo (T) valore sperimentale è sempre: > 1; < 1; = 1? Motiva la risposta

• Il fattore cos2 ha per gli studenti un ruolo funzionale (di probabilità)

• Non viene associato alla specifica fenomenologia della polarizzazione

• Gli studenti confermano una prospettiva sistemica-operazionale

Analisi Scheda 5 - Dall'esperimento di Malus alla situazione ideale

A2 Quale aspetto della fenomenologia è descritto dal fattore cos2?

T=1 perché … "il calcolo viene semplificato" … per … 12

"ragionare sull'esperimento ideale" 7

"ragionare sulla formula" 5

il fattore cos2 descrive una "probabilità di passaggio" dei singoli enti microscopici coinvolti nel processo

9

non risponde 3

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C2.. Nel caso di polaroid reali (es. T=0.7) è possibile avere una probabilità di trasmissione: C2.1 uguale a 1? Spiegare. C2.2. uguale a 0? Spiegare

Analisi Scheda 5 - Dall'esperimento di Malus alla situazione ideale

A) P=1 "solo nel caso ideale"; P=0 "nel caso quando i fotoni sono di proprietà ∆"

3

B) P=1 "solo nel caso ideale"; P=0 "nel caso in cui i fotoni sono di proprietà ∆ (con T=0,7 ad esempio) e il polaroid con proprietà

3

C) P=1 "Solo nel caso ideale"; P=0 "nel caso quando i fotoni sono di proprietà 1

3

D) P=1 e P=0 solo nel caso ideale quando T=1 2

Quattro tipologie di risposte, da cui rileviamo un solo aspetto importante:

I polaroid con definita direzione di trasmissione vengono indicati come polaroid cha hanno la proprietà dei fotoni che essi trasmettono.

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B1. N fotoni filtrati da un Polaroid V, incidono su un polaroid ideale (T=1) F2 a 45°. B1.1 Qual è il numero NT dei fotoni che vengono trasmessi da F2? NT =

….. gli studenti riportano i valori attesi, da cui emerge la comprensione operativa della fenomenologia e del contesto ideale/reale considerato

C.1.1 Qual è la probabilità che un fotone del fascio venga trasmesso dal Polaroid reale (T=0,7):con direzione permessa V? O? a 45°?

L'analisi del caso reale viene gestito coerentemente (1 solo caso di difficoltà)

alle domande sulla fenomenologia (N fotoni trasmessi) e sulla probabilità di trasmissione dei fotoni

Risposte: N/2

Risposte: 70-0-35 % (11/12); 70-0-70 % (1/12);

Analisi Scheda 5- Dall'esperimento di Malus alla situazione ideale

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N

F1 F2

V 45°

N

V 45°

Analisi Scheda 9- IPOTESI INTERPRETATIVE. Proprietà incompatibili. Proprietà mutuamente

esclusive.

Le previsioni degli esiti sperimentali dell’interazione con un polaroid a 45° di un fascio di fotoni polarizzati a 45° ….

….e di una miscela statistica formata da due sottoinsiemi disgiunti (metà di fotoni V e metà di fotoni H) ….

…..sono tutte N e N/2 rispettivamente, aspetto che ancora una volta indica la padronanza della fenomenologia.

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Sintesi sui dati sperimentaliraggiungimento degli

obiettivi conoscitivi

insistere sulla costruzione significato fisico delle grandezze e il legame della formalizzazione con la fenomenologia

per farli emergere come referenti concettuali

manca il riconoscimento

del ruolo fisico delle grandezze

operatori di trasformazione

corretta gestione della fenomenologia

in termini di operatori funzionali

sicurezza acquisita nel fare previsioni

manon in termini di significati fisici

degli enti formali

con cui rappresentare i

concetti

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In particolareT cos2 come unico fattore di modulazione dell’intensità

analisi sistemica dei processi input/output e ″scatola nera″

formale che determina la modificazione

e m e r g e f o r m a z i o n e p r o f e s s i o n a l e i n t e r m i n i d i

c o m p e t e n z a e p r o s p e t t i v a i n c u i s i p o n g o n o g l i s t u d e n t i

l’attribuzione delle proprietà indistintamente a polaroid e fotoni

nasconde un passaggio incompleto dall'operatività

dell’esplorazione fenomenologica al piano interpretativo

e m e r g e c o m e b i s o g n o u n m a g g i o r e s o s t e g n o p e r f a v o r i r e i l r a c c o r d o

t r a i l p i a n o d e s c r i t t i v o e q u e l l o i n t e r p r e t a t i v o

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Conclusioni sperimentazione• Realizzabile con materiale facilmente reperibile

(CIRD - Udine) • Spendibile in ogni tipo di scuola superiore di II

grado • Consente di• Affrontare temi coinvolgenti per i ragazzi• Fare da ponte tra fenomenologia e mondo

microscopico• Preparare alla trattazione formale della MQ• Introdurre la FM prima di aver completato

tutta la FC• Approcciare micromondo esplorando

fenomenologia riproducibile• Andare oltre l’approccio discorsivo poco

efficace

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Master come opportunità• Percorso formativo personalizzato e

specializzato• Esigenze formative (contenuti/metodi) • Acquisizione competenze spendibili nella

pratica didattica • Formazione in rete• Facilità di accesso a materiale selezionato

(approfondimento/aggiornamento) • Partecipazione a un dibattito aperto e costruttivo

su aspetti critici e nodi concettuali della MQ (in funzione di progettazione e sperimentazione)

• Sviluppo di maggiori capacità critiche• Rischio di dispersione nell’organizzazione del

materiale • Limitato dall’azione di tutoring da parte del docente

esperto

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GRAZIEMaria Moretti

Liceo Scientifico Statale ″Vincenzo Cuoco″ - Napolimariamoretti@libero.it

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