Didattica della fisica La scienza Luca Fiorani. Didattica della fisica Cosa apprenderemo in questo...

Didattica della fisica

La scienza

Luca Fiorani

Luca FioraniDidattica della fisica

Cosa apprenderemo in questo modulo?

Cosa è la Scienza Come si fa la Scienza: il metodo scientifico Chi fa la Scienza: gli scienziati Con che cosa si fa la Scienza: gli strumenti

di misura


Perchè occorre capire bene il significato della Scienza, cosa essa persegue e come? LA CASA SULLA ROCCIAUn uomo costruì la sua casa, ha scavato molto

profondo e ha posto le fondamenta sopra la roccia. Venuta la piena, il fiume irruppe contro quella casa, ma non riuscì a smuoverla perché era costruita bene.

Un altro uomo costruì la casa sulla terra, senza fondamenta. Il fiume la investì e subito crollò; e la rovina di quella casa fu grande.

(Luca 6, 46-49)


Cosa si intende per Scienza?


La Scienza

Scienza: sistema di conoscenze ottenute con procedimenti metodici e rigorosi allo scopo di giungere a una descrizione oggettiva della realtà e delle leggi che regolano l'occorrenza dei fenomeni. Scienza deriva dal Latino "scientia” che significa “conoscenza”.

Scopo della scienza: lo scopo ultimo della scienza è la comprensione e la modellizzazione della natura al fine di poter prevedere lo sviluppo di uno o più fenomeni

Luca FioraniDidattica della fisicaOggettività della Scienza:

universalità delle definizioni e delle unità di misura

Ogni termine deve essere definito in maniera univoca ed universalmente accettata da tutta la comunità scientifica

Es.: la temperatura è la proprietà fisica che regola il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro

Ogni grandezza fisica deve essere misurabile con un'unità di misura definita

Es.: la scala Celsius (scala centigrada), nella quale si assume che il valore di 0 °C corrisponda al punto di fusione del ghiaccio e il valore di 100 °C corrisponda al punto di ebollizione dell'acqua a livello del mare


Oggettività della Scienza: riproducibilità

Per essere ritenuta valida, un'esperienza scientifica deve godere della proprietà della riproducibilità, deve cioè essere possibile ripeterla da qualunque sperimentatore e pervenendo allo stesso risultato finale ogniqualvolta si fa avvenire nelle stesse condizioni chimico-fisiche, con gli stessi prodotti della stessa purezza, ecc.: ripetendo cioè n volte l'esperienza si devono ottenere n volte gli stessi risultati finali

Luca FioraniDidattica della fisicaOggettività della Scienza:

l’esempio della fusione del ghiaccio

Il ghiaccio fonde, cioè diventa liquido, alla temperatura di 0 °C alla pressione atmosferica

In un laboratorio in qualsivoglia punto della Terra, se si riproduce una condizione di pressione atmosferica (1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101325 Pa = 1013.25 mbar) un cubetto di ghiaccio diventa acqua alla temperatura di 0 °C indipendentemente dallo sperimentatore e da tutte le altre condizioni esterne


Come il significato di Scienza si è ampliato nel corso del tempo

Le Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali hanno alle spalle una lunga tradizione e una storia di brillanti successi intellettuali

Esse hanno influito notevolmente sulla nostra concezione della Scienza: le loro caratteristiche tendono a essere considerate come criteri ai quali ogni disciplina che voglia definirsi scientifica deve adeguarsi

Da qui nasce l’approccio scientifico ad una più vasta gamma di discipline: Scienza dell’Informazione, Scienze Economiche, Scienze Motorie, Scienze Umanistiche, Scienza della Psicologia, Scienze Politiche, etc.


La Scienza come strumento di progresso sostenibile La conoscenza scientifica è alla base del

progresso tecnologico

La tecnologia è la creazione di un nuovo prodotto e processo sviluppato per aumentare l'efficienza, le possibilità di sopravvivenza, il livello di conforto e la qualità della vita

Conoscenza scientifica

Ricerca Applicata Tecnologia


Un esempio: il telefono cellulare

1820 Hans Cristian Oersted (1777-1851) scopre l’interazione tra un filo percorso dacorrente ed un ago magnetico.

Guglielmo Marconi (1874 - 1937), dimostrò per primo la possibilità di collegamenti a distanza senza fili utilizzando le onde elettromagnetiche

3 aprile 1973, Martin Coopereffettua la prima telefonata con un cellulare

Conoscenza scientifica Ricerca applicata Tecnologia

550 a. Cristo, Talete di Mileto descrive le proprietà elettriche dell'ambra e della magnetite


Cosa è il metodo scientifico?


Processo di acquisizione della conoscenza scientifica: il metodo scientifico

Galileo Galilei (1564 –1642) padre del metodo scientifico


Fase 1: osservazione del fenomeno e sua schematizzazione

Si tratta di isolare gli aspetti rilevanti del fenomeno con qualche accorgimento tecnico, eliminando le complicazioni sempre presenti in ogni fenomeno naturale. Si cerca di rendere trascurabili effetti di natura più complessa da introdurre in seguito come perturbazione. Si costruisce cioè un modello semplificato del fenomeno naturale.


Fase 2: processo di misura

Le grandezze fisiche, individuate come essenziali nel processo di schematizzazione, vanno misurate fornendo un numero (con stima dell’errore) seguito da un unità di misura. Le grandezze fisiche devono essere definite in modo operativo, dando cioè delle regole precise per poterle misurare.


Fase 3: verifica sperimentale

Si devono fare esperimenti di laboratorio in condizioni di rigorosa riproducibilità (chiunque deve poter ripetere l’esperimento)


Fase 4: formulazione della legge Derivazione delle leggi che governano il

fenomeno. Si devono determinare correlazioni quantitative tra grandezze misurate attraverso tabelle, grafici e formule matematiche.

Le leggi sono relazioni (di solito matematiche) tra le grandezze fisiche coinvolte nel fenomeno e che sono state misurate con una certa precisione negli esperimenti


Fase 5: previsioni

Le leggi formulate permettono di fare previsioni di

nuovi fenomeni correlati. Dalle leggi si deducono le conseguenze previste che devono (quando possibile) essere verificate sperimentalmente.

Leggi e modelli devono essere abbandonati se anche un solo esperimento fornisce un risultato incompatibile con le previsioni


Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi

Fase 1 - osservazione del fenomeno e sua schematizzazione: Galileo osservava i corpi cadere dalla Torre di Pisa e voleva stabilire una legge che descrivesse il fenomeno. Doveva misurare il tempo di caduta e lo spazio percorso e trovare una relazione.

Fase 2 - processo di misura: Galileo misurò con i mezzi a disposizione il tempo di caduta, ma non riusciva ad ottenere dati precisi perchè i corpi cadevano troppo velocemente


Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 3 - verifica sperimentale: poiché

Galileo non disponeva di metodi sofisticati per misurare il tempo, studiò la caduta lungo un piano inclinato perchè lungo di esso i corpi cadono più lentamente

La caduta libera è un caso limite della caduta lungo un piano inclinato: più si aumenta l’angolo meglio si simula la caduta libera


Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi

Fase 2 - processo di misura: Galileo misura il tempo di caduta della sfera per diverse lunghezze del percorso Δs. Poi, confrontando tempi di discesa Δt e lunghezze, verifica che esiste una proporzionalità diretta fra Δs e il quadrato di Δt; questo è vero per diverse inclinazioni del piano e anche quando cambia la massa e la composizione della sfera:

Fase 4 - formulazione della legge: Galileo formula la "legge di caduta dei gravi"

Δs=(1/2)g(Δt)2


Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 5 - previsioni: in assenza di attrito (aria) tutti i

corpi cadono con la stessa accelerazione, una piuma e un martello arrivano al suolo nello stesso istante

Per la verifica delle previsioni si dovette aspettare il XVII secolo con il cosiddetto "tubo di Newton", un recipiente trasparente di forma cilindrica dal quale è stata tolta l’aria. Inizialmente, gli oggetti di cui si vuole confrontare il moto di caduta sono all’estremità inferiore del tubo, tenuto in posizione verticale. Questo viene rovesciato di colpo, e si vedono i due corpi - uno pesante, l’altro molto più leggero - cadere simultaneamente.


Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Una verifica ben più suggestiva si è avuta

durante la Missione Apollo 15 sulla Luna quando il capitano Scott fece cadere un martello ed una piuma e verificò di fronte agli occhi di tutto il mondo che raggiungono il suolo lunare allo stesso istante


Chi fa la Scienza?


La Scienza è fatta dai ricercatori

La Scienza è un processo cognitivo sviluppato dall’uomo per comprendere e prevedere il comportamento del mondo che lo circonda

Il ricercatore elabora e sintetizza con il suo pensiero i dati che provengono dai suoi studi in relazione alla conoscenza attuale per aumentarne il grado di comprensione

Lo sviluppo della scienza dipende dall’abilità dei ricercatori: il fattore umano è fondamentale per il progresso


Lo sviluppo della Scienza

Nel corso della storia dell’umanità ci sono state delle figure che hanno saputo sintetizzare e rendere consistente una serie dati provenienti da osservazioni sperimentali ed elaborare teorie e principi generali fondamentali per il progresso dell’umanità

Lo sviluppo della Scienza è il più delle volte un processo discontinuo in cui grandi balzi in avanti si susseguono a periodi di progressi impercettibili

Luca FioraniDidattica della fisicaI grandi: Isaac Newton (1642-

1727)

Isaac Newton riuscì a sintetizzare le conoscenze dell’epoca per stabilire i fondamenti della meccanica classica, della gravitazione universale e dell’ottica geometrica

I risultati ottenuti da Newton sono ancora oggi utilizzati per calcolare con precisione le traiettorie dei satelliti artificiali e delle sonde nelle missioni spaziali, la posizione dei pianeti e i fenomeni ottici di riflessione e rifrazione

Luca FioraniDidattica della fisicaI grandi: Albert Einstein (1879-

1955)

Riuscì a sintettizzare una serie di osservazioni sperimentali e riformulare una teoria più generale della gravitazione, sulla relatività del moto e del tempo e sul concetto di energia

I suoi risultati sono alla base della generazione di energia attraverso processi nucleari e del funzionamento delle macchine acceleratrici con cui si studiano i costituenti elementari della materia


Ruolo della storia della Scienza

Una più ampia comprensione della storia che ha accompagnato una scoperta scientifica e dei personaggi che la hanno determinata è fondamentale per comprenderne la portata e capire come attivare dei processi di analisi e deduzione capaci di affrontare in maniera costruttiva un problema scientifico


Gli strumenti di misura

Ogni osservazione scientifica presuppone l’osservazione e la misura quantitativa di parametri fisici e chimici

Gli strumenti di misura permettono al ricercatore di osservare ed acquisire i dati necessari per svolgere le varie fasi del metodo scientifico

Ogni innovazione apportata da un nuovo strumento di misura abilità nuovi percorsi di indagine e progresso nella conoscenza scientifica


Gli strumenti di misura

Uno strumento di misura ideale deve essere: affidabile, nel senso che deve fornire

sempre gli stessi valori se le condizioni di misura non cambiano

non distruttivo, nel senso che non deve interferire con il processo che si sta misurando e non apportare modifiche al campione in misura

Luca FioraniDidattica della fisicaStrumenti di misura analogici e

digitali

Analogici: dove il formato d'uscita è tale da dare valori di misura infinitamente contigui, limitati solo dalla risoluzione ottenibile nella lettura della scala graduata

Digitali: dove il formato d'uscita è tale da dare sempre valori di misura discreti, pari alla variazione di un digit


Errore di misura

Ogni misura è affetta da errore. Per chiarire questo punto mi aiuterò con il comò della bisnonna: si adatterà alla nuova parete?


Errore di misura

Prima misuracomò 6 spanne, parete 6 spanne


Seconda misuracomò 118 cm, parete 122 cm(118 ± 1 cm, 122 ± 1 cm)


Seconda misuracomò 118 cm, parete 122 cm(118 ± 1 cm, 122 ± 1 cm)

Non serve arrivareal milionesimo dimetro con un laser


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Fine della lezione…

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