“Incontri di Fisica” INFN - Laboratori Nazionali di Frascati 5-6-7 Settembre 2001

1. “Incontri di Fisica” INFN - Laboratori Nazionali di Frascati 5-6-7 Settembre 2001 Un percorso di Astronomia per il Liceo Scientifico (P.N.I.) Angelo Angeletti - Manlio Bellesi Liceo Scientifico Statale “G.Galilei” Macerata

2. Presentazione • Al Liceo Scientifico Statale “G. Galilei” di Macerata è attiva una sperimentazione di matematica a fisica del Piano Nazionale dell’Informatica (P.N.I.). Tale sperimentazione è iniziata in tutte le classi del biennio nell’a.s. 1988-89; nell’a.s. 1992-93 è stata estesa anche al triennio, ma in soli tre corsi. • L’insegnamento della fisica prevede tre ore settimanali in ogni classe con prove scritte e orali. • Matematica e fisica vengono assegnate a docenti diversi e per la fisica l’insegnamento è in verticale (dalla prima fino alla quinta). • I programmi del P.N.I. prevedono, al quinto anno, lo studio di due soli temi: • Struttura della materia • L’Universo fisico

3. Tema n°5 - Struttura della materia Spettroscopia (emissione, assorbimento, stati metastabili); effetto termoelettronico; corpo nero ed ipotesi di Planck; effetto fotoelettronico e ipotesi di Einstein; ipotesi di de Broglie: dualità onda-corpuscolo; modelli atomici (Rutherford, Bohr, de Broglie): validità e limiti; principio di indeterminazione (effetto tunnel); lo stato solido (conduttori, semiconduttori; isolanti; giunzioni); nucleo atomico e radioattività naturale; reazioni nucleari (in particolare fissione e fusione); tipi di interazione; le particelle "elementari“: invarianze, simmetrie. Il tema esige da parte degli allievi una buona conoscenza e padronanza dei concetti affrontati nei precedenti temi. Conseguentemente esso dovrà essere affrontato dopo che i concetti fondamentali della fisica "classica" avranno fatto parte del patrimonio culturale degli allievi. Il nodo cruciale per la comprensione della struttura della materia è essenzialmente il problema della dualità onda-corpuscolo che richiede, oltre ad una elevata capacità di astrazione e di sintesi, anche la padronanza dei concetti sia di meccanica dei corpi rigidi (corpuscolo), sia di meccanica delle onde, sia di elettromagnetismo (essendo di natura elettromagnetica le forze che sono in gioco nei modelli atomici). Il tema, proprio per i requisiti di astrazione e di sintesi prima richiamati, può contribuire in modo rimarchevole allo sviluppo di tali capacità nello studente. 

4. Tema n°6 - L'Universo fisico La curvatura dello spazio-tempo; spostamento verso il rosso delle righe spettrali; orologi e lunghezze nel campo gravitazionale; radiazioni elettromagnetiche; radiazione cosmica; sistema solare; le stelle: origine ed evoluzione; oggetti celesti; ipotesi cosmologiche e modelli di universo. Questo tema di sintesi di ampio respiro è proposto come tema conclusivo del programma di Fisica essendo finalizzato a fornire all'allievo una visione scientifica organica della realtà fisica. Gli argomenti in oggetto dovranno essere affrontati non in termini esclusivamente descrittivi ma, nei limiti consentiti dalla preparazione logico formale degli allievi, anche nella loro formulazione matematica, ogni volta che si presenta questa possibilità. Considerazioni di carattere storico completeranno la trattazione del tema. Dovrà essere previsto ampio coordinamento con gli analoghi argomenti del programma di scienze naturali.

5. In quinta, oltre ai temi 5 e 6, vengono completati altri temi: • tema 1 (Forze e campi): viene svolta generalmente quella parte che riguarda il campo magnetico ed elettromagnetico; • tema 2 (Sistemi di riferimento e relatività): viene svolta la relatività ristretta e generale; • tema 4 (Onde meccaniche ed elettromagnetiche): viene svolta la parte riguardante le equazioni di Maxwell e le onde elettromagnetiche. • Rimane generalmente il secondo quadrimestre per svolgere i temi di fisica moderna ed in genere tre – quattro settimane per l’Universo fisico. • Vista la sovrapposizione di alcuni argomenti con il programma di Geografia Astronomica è stato stabilito che, ad eccezione del Sistema Solare, gli argomenti indicati sopra vengano svolti nel corso di Fisica. • Il tema dell’Astronomia viene comunque iniziato fin dal primo anno, ogni qual volta è possibile si fanno riferimenti a questo argomento.

6. Classe 1ª • Uso della notazione scientifica • Legge della gravitazione di Newton

7. Classe 2ª • Propagazione rettilinea della luce: le eclissi • I telescopi

8. Classe 3ª • Cenni di storia dell’Astronomia • Diametro della Terra (Eratostene); rapporto distanza della Luna / raggio della terra; distanza del Sole; il moto di Marte; modello tolemaico e modello copernicano • Leggi di Keplero • Legge di gravitazione di Newton • La luna cade; deduzione delle leggi di Keplero (per la legge delle orbite vedi D.L.Goodstein - J.R.Goodstein: il moto dei pianeti intorno al Sole, Zanichelli); il campo gravitazionale.

9. Classe 4ª • Termodinamica • Ottica: principi di spettroscopia

10. Classe 5ª • Le stelle • Spettri stellari; Diagramma HR; cenni sulla struttura e sull’evoluzione delle stelle • La Galassia • Distribuzione delle stelle; struttura della Galassia • L’Universo • Struttura dell’Universo • Classificazione delle Galassie; la determinazione delle distanze; formazione delle galassie • Evoluzione dell’Universo • Il paradosso di Olbers; la legge di Hubble; il principio cosmologico; i modelli di Friedmann e l’età dell’Universo; il modello del Big Bang; il modello dello stato stazionario; alcuni dei tanti problemi aperti.

11. QUALCHE INFORMAZIONE AGGIUNTIVA… Il reperimento del materiale per il percorso proposto è stato (ed è tuttora) difficoltoso. Una parte di ciò che raccontiamo abbiamo dovuto scrivercela da soli (ovviamente consultando testi di gente MOLTO più in gamba di noi). Chi fosse interessato può contattarci ai seguenti indirizzi: a.angeletti@mercurio.it manlio.bellesi@libero.it ARRIVEDERCI A PRESTO ! !