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 Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesiprimaria. 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 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 quello di crescere una generazione di allievi (e di insegnanti) meno impauriti e prevenuti nei confronti della fisica e della scienza in generale

PROGRAMMAIl corso si articola in cinque moduli:Cinematica e Meccanica Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiFluidi, calore e temperatura Onde e suono Astronomia e ottica Fenomeni elettrici e magnetici

MECCANICAContenuti:Grandezze fisiche, unità di misura, notazione scientifica. Vettori in due dimensioni. Punto materiale, sistemi di riferimento: posizione, velocità, accelerazione. Grafici del moto. Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiMoti: 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 OTTICAContenuti: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.Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiCannocchiali, telescopi, microscopi e loro funzionamento.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 e artificiali e loro orbite. I corpi minori del sistema solare: asteroidi, comete e meteoriti.

FLUIDI, CALORE E TEMPERATURAContenuti:Pressione. Differenza tra pressione e forza. La pressione atmosferica. Vasi comunicanti. Legge di Stevino e principio di Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesiatmosferica. Vasi comunicanti. Legge di Stevino e principio di Pascal. Legge di Archimede. Esperienza di TorricelliConcetti 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.

ONDE, OSCILLAZIONI E SUONOContenuti:Generalità sulle onde: ampiezza, periodo, frequenza e pulsazione, lunghezza d’onda, velocità, fase. Onde meccaniche, Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesipulsazione, lunghezza d’onda, velocità, fase. Onde meccaniche, materiali e non. Onde sinusoidali e onde generiche come sovrapposizione di onde sinusoidali. Riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione di onde. Battimenti e risonanza. Effetto Doppler. Generalità sul suono. Lo spettro sonoro e le frequenze udibili dall’orecchio umano.

FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICIContenuti:Carica elettrica. Elettrostatica. Fenomeni di elettrizzazione per Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiCarica elettrica. Elettrostatica. Fenomeni di elettrizzazione per 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 sesto modulo, trasversale. Queste ore saranno destinate alla progettazione, costruzione ed esecuzione di Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesiprogettazione, 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 ESAMEL’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 (con particolare enfasi sulle attività sperimentali di laboratorio) relativo a tale argomento.Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiIl voto, in trentesimi, sarà il risultato dei seguenti indicatori:- 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 laboratoriali destinati alla scuola dell’infanzia e alla scuola primaria (fino a 10/30).

TESTI CONSIGLIATINon esistono testi obbligatori. Quello consigliato è il Romeni: Fisica e realtà, Ed. Zanichelli (di qualunque Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiRomeni: Fisica e realtà, Ed. Zanichelli (di qualunque edizione o anno, purché per il triennio dei licei scientifici), ma qualsiasi testo per il triennio dei licei scientifici (come per esempio il Caforio-Ferilli, Fisica!, Ed. Le MonnierScuola) può ugualmente andar bene come riferimento.

MECCANICA (MODULO 1)Si può dividere in CINEMATICA = si occupa solo (!) di descrivere il Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesimovimento DINAMICA = studia anche le cause del movimento, in termini di FORZE

CINEMATICALa descrizione del moto necessita di COORDINATE, nella forma di SISTEMI DI RIFERIMENTO.Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiLo 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 Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesidefinendo 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 fisicaLa definizione data non è rigorosa, perché presenta problemi di circolarità logica. Infatti una GRANDEZZA Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiFISICA 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 GRANDEZZE FISICHE?Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesienergia potenziale gravitazionale, energia potenziale 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). Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesistelle, la curvatura dello spazio-tempo). Però può anche succedere l’inverso!!Un esempio divenuto 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. Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesicompletamente: 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 Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesimercurio 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 strumentoTIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 1Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesi- 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 ERRORI ACCIDENTALI e SISTEMATICI Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesiun muro, tenendo però il nastro in posizione obliqua. In tal 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 ΔL (oppure con EA(L), che significa appunto “errore assoluto su TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiAL”). Il simbolo Δ è la lettera “delta” maiuscola dell’alfabeto greco (che la Fisica saccheggia di frequente) e la scrittura ΔL 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 ΔL/L, cioè l’errore assoluto diviso per il valore della grandezza. La notazione per esso usata è ER(L) oppure anche ΔL/L. Trattandosi del rapporto di due quantità espresse nelle stesse unità, l’errore relativo non TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesidue 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. Lo si indica con E%(L).TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesimoltiplicandolo per 100. Lo si indica con E%(L).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 Δa = 0,5 mm e l’errore relativo è Δa/a = 0,5/750 = 6,7 ∙10-4.Misura 2: misuriamo, con un fascio laser e uno specchio, la distanza tra il punto TIPOLOGIA DEGLI ERRORI - 2Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiMisura 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 valore attendibile è D = 384456 km, con un errore assoluto ΔD = 50 cm, cioè 5∙10-4 km.Confrontiamo le misure di a e D: l’errore assoluto su a è mille volte più piccolo 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) = ΔD/D = = 5∙10-4 /384456 = 1,3 ∙10-9 , che è un numero cinquecentomila volte più piccolo di ER(a)!!

Quasi sempre le misure dirette effettuate in laboratorio vengono manipolate per determinare altre grandezze fisiche in modo indiretto. Un esempio molto semplice è la misura dell’altezza e del diametro di un cilindro per calcolarne superficie e volume.PROPAGAZIONE DEGLI ERRORI - 1Lez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. BellesiOgni volta che manipoliamo misure effettuando operazioni (moltiplicazione, divisione, elevamento a potenza, estrazione di radice, eccetera) l’errore sulla misura inevitabilmente si modifica anch’esso, o meglio: si propaga.Salvo casi eccezionali, manipolare una misura significa diminuirne la precisione.

SOMMA: : date le grandezze a ± Δa, b ± Δb, l’errore assoluto sulla somma a+b è la somma degli errori assoluti. Quindi:EA(a+b) = Δa + Δb.DIFFERENZA: date le grandezze a ± Δa, b ± Δb, l’errore assoluto sulla differenza a b è ancora la somma degli errori assoluti. Quindi:PROPAGAZIONE DEGLI ERRORI – 2Regole per le quattro operazioniLez. 1 – Corso di Elementi di Fisica UniMC – Prof. M. Bellesia b è ancora la somma degli errori assoluti. Quindi:EA(ab) = Δa + ΔbPRODOTTO: date le grandezze a ±Δa, b ± Δb, l’errore relativo sul prodotto a·b è la somma degli errori relativi. Quindi: ER(a·b) = ER(a) + ER(b) = Δa/a + Δb/bQUOZIENTE: date le grandezze a ±Δa, b ± Δb, l’errore relativo sul quoziente a:b è la somma degli errori relativi. Quindi:ER(a:b) = ER(a) + ER(b) = Δa/a + Δb/b