Fisica moderna nella scuola

Marisa Michelini

Unità di Ricerca in Didattica della Fisica

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La fisica moderna

E’ presente in tutti i curricula europei

Negli ultimi 10 anni è stata inserita in tutti i libri di testo, anche se in modo frammentario

tuttavia

• La sua introduzione nell’attività didattica incontra pareri opposti – i nodi concettuali della fisica classica

• Vi è ampio DIBATTITO SU

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Finalità / impostazione? Cultura dei cittadini Orientamento Divulgazione/Formazione

Cosa trattare? Le problematiche Le tecnologie Le applicazioni

Come? Narrazione … Integrata in FC.. Complementare curriculum

A chi? Tutti? Licei?

La sfida della fisica moderna nella scuola si gioca

• Sulla formazione degli insegnanti

• Sull’innovazione didattica nel curriculum

• Sulla ricerca didattica

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• Sulle conoscenze di fisica di base su cui fondare le nuove interpretazioni

• sulle analogie fenomenologiche da esplicitare

• Sul formalismo da adottare

La fisica del XX secolo nella scuola è una sfida che si gioca

• sull’individuazione di

– fenomeni

– concetti

– aspetti

rilevanti per:

• Il rapporto tra la lettura intuitiva e quella interpretativa

• La costruzione di nuovi concetti e nuove visioni teoriche

• una cultura in fisica che includa i nuovi modi di pensare ai concetti fondanti della rappresentazione del mondo (spazio, tempo, stato …)

4

• Sui nodi • disciplinari • concettuali

UNA TRAPPOLA: I ragionamenti di senso comune

• Oggi sappiamo che non c’è l’osservazione senza un’idea interpretativa (esplicita o implicita).

• Ciascuno di noi nel leggere la fenomenologia fa ragionamenti di senso comune, che originano da:

– elementi percettivi ed evidenze sperimentali contingenti (sensazione termica, meccanismo della visione)

– ambiguità del linguaggio (avere forza)

– modelli interpretativi storici superati ed entrati nella nostra cultura (calore)

• Il relativo livello di coerenza ne determina la resistenza

• la conoscenza scientifica e i ragionamenti naturali spesso co-esistono nello stesso territorio.

5

In questa prospettiva è importante che

le discipline si configurino come “mappe”: concettuali per comprendere e organizzative per orientarsi nell’interpretare l’esperienza.

I saperi disciplinari si attivino in modo funzionale ai bisogni e trovino capacità operativa nei diversi contesti.

Per la conoscenza scientifica Si deve porre attenzione a mettere in atto strategie per produrre apprendimento e realizzare cambiamento concettuale

dal senso comune al sapere scientifico

Attivando idee in contesti differenziati

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La sfida didattica rispetto a quella della comunicazione e della divulgazione si fonda sulla

• Rinuncia al riduzionismo per offrire occasioni di

• Apprendimento e non solo di comprensione di informazioni (padroneggio i fondamenti e i concetti)

• Appropriazione di strumenti e metodi

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• implica: molte dimensioni … – Guardare alla Fisica come disciplina che offre un cultura ampia

(le basi per i cittadini)

– Integrare la riflessione sui modi di guardare a concettualizzazioni (identità disciplinare)

– Collocare la fisica in contesti differenziati

– Costruzione gradualmente il pensiero formale

FISICA DEL XX SECOLO Alcune prospettive diverse

dalla ricerca in didattica della fisica di UniUD

1. Fenomeni ponte: diffrazione 2. La fisica nelle tecniche di analisi

della ricerca: TRR, RBS, R&H 3. Discussione di alcuni concetti di

base trasversali: stato, misura, sezione d’urto

4. L’interpretazione su basi fenomenologiche di alcune scoperte della ricerca in fisica: la superconduttività

5. I fondamenti della fisica moderna: MQ 8

9

Fenomeni ponte

LUCEGRAFO sistema di misura dell’intensità luminosa vs posizione

distribuzione intensità luminosa in funzione

della posizione (fenditura da 0.12 mm posta

a 80 cm dal sensore)

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10

0

x (cm)

I (u.

a.)

Diffrazione analisi dei dati raccolti e confronto con il modello

Interpretazione in FC&MQ

10

TRR – Time Resolved Reflectivity

Cambiamento del pattern interferenziale di due fascetti laser riflessi dalle due interfacce, quando una di esse sta cambiando: è usata per studiare la crescita epitassiale di un campione.

h b

Gli studenti fanno misure con micro-onde e luce

laser, misurando lo spessore di vari film di materiali

La Fisica nelle moderne tecniche di analisi

11

Rutherford Backscatterig Spectroscopy - RBS

La misura consiste nel raccogliere lo

spettro in energia di ioni (He++ of 2

MeV) retrodiffusi in una certa

direzione, dopo un urto con un

atomo campione, in un acceleratore

lineare.

RBS procura informazioni sulla

distribuzione degli elementi

constituenti dei primi 500 nm della

superficie del campione.

Trattamento semi-classico dei dati.

La Fisica nelle moderne tecniche di analisi

12

Il principio di misura ed il trattamento

semiclassico dei dati vengono discussi con gli

studenti , che lavorano con gli Spettri.

Si offre l’occasione di:

- Esplorare l’esperimento di Rutherford

- Capire il ruolo della coservazione

dell’energia e della quantità di moto nel

contesto di una tecnica di analisi di ricerca

- Capire come le strutture microscopiche

possono essere studiate mediante

informazioni indirette e misure

- Interpretare gli spettri come attività di

problem solving

La Fisica nelle moderne tecniche di analisi

L

13 M. Michelini - Scuola estiva di Fisica Moderna - Udine 27/31 Luglio 2009 Congresso AIF –Mantova 2009

Università degli Studi di Udine

Dipartimento di Fisica

Università degli Studi di Trieste

La RBS nella scuola estiva di fisica moderna a Udine

Progetto Lauree Scientifiche PLS2

Modelli fisici per l’interpretazione e le

grandezze significative

• Urto elastico ione-bersaglio

• Diffusione coulombiana ione-bersaglio

• Frenamento anelastico ione-matrice

• fattore cinematico

• sezione d’urto

• sezione di stopping

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R&H è un sistema RTL che fa misure di:

- resistività vs T in metalli, semiconduttori e

superconduttori

- Coefficiente di Hall a T ambiente per

metalli e semiconduttori

Si ottengono tipo e mobilità dei portatori

R&H Proprietà elettriche di trasporto di metalli, semiconduttori e superconduttori

La Fisica nelle moderne tecniche di analisi

15

R&H

Fig. 4.1.2A Experimental set-up components.

Il brevetto R&H e le misure di resistività

16

Rame

17 Sensor as senses extension to explore phenomena in primary and to learn physics in secondary school

RESISTIVITA’ VS T

Campioni metallici

18 Sensor as senses extension to explore phenomena in primary and to learn physics in secondary school

semiconduttore

Resistenza Ge P

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

80 130 180 230 280 330 380

T (K)

R (

mO

hm

)

Current Tension Gain

Counts Current Counts Tension 171,5

116 10,3294 683 -3,98251

162 14,1566 975 -5,68513

213 18,3998 1293 -7,53936

270 23,1422 1651 -9,62682

322 27,4686 1980 -11,5452

382 32,4606 2346 -13,6793

443 37,5358 2730 -15,9184

530 44,7742 3267 -19,0496

582 49,1006 3591 -20,9388

616 51,9294 3796 -22,1341

19 Sensor as senses extension to explore phenomena in primary and to learn physics in secondary school

Hall Effect. 3. RHALL MEASUREMENT

Il fitting dei

dati VH vs I

dà il

coefficiente

di Hall

20 Sensor as senses extension to explore phenomena in primary and to learn physics in secondary school

Study of the Hall Effect.

3. RHALL MEASUREMENT

R=1/ne

Effetto Hall

21

Misurando VH ,B, I otteniamo

RH = 1/(qn)

Coefficiente di Hall

RH = EH / (Jx B)

Jx = Ix /(b c)= q n vd

Misurando la resistività r

si ottiene la mobilità

μ= RH /r

Emissione di luce da una lampadina Temperatura del filamento incandescente

22

La temperatura del filamento di una lampadina

P = Peo Rm (1). L’interpolazione dei dati nella zona lineare:

m = (3.32 0.02) e Peo = 10 q con q = (- 3.63 0.02).

Studio delle caratteristiche elettriche di una comune lampadina da bicicletta (Curve I-V)

23

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

1 10 100

R (Ohm)

P (

Wa

tt)

La fenomenologia anche complessa stimola gli studenti a cercare interpretazioni, che ( anche se parziali ) consolidano le conoscenze nella fisica classica

La superconduttività

• Superconduttività per studenti di scuola secondaria

• Aspetti integrati in un percorso fenomenologico

• Storico

• Fenomenologia

• applicazioni

• DIMENSIONE DI RICERCA

– Come affrontano gli studenti i principali nodi interpretativi?

– Come rielaborano gli insegnanti le proposte?

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Minds-On experimental equipment kits in Superconductivity and ElectroMagnetism for the continuing vocational training of upper secondary school physics teachers

http://supercomet.no/

MOdelling and data acquisition for the continuing vocational training of upper secondary school physics teachers in pupil-active learning of Superconductivity and

ElectroMagnetism based on Minds-On Simple ExperiMents LIFELONG LEARNING PROGRAMME Leonardo da Vinci

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26

Materiali didattici LOW & HIGH TECH KIT

Magnetic interactions, E.M. induction, Eddy currents

Il percorso di SC comprende 2 parti

• How students face the main interpretative knots? 27

1) Proprietà magnetiche del superconductore

- Effetto Meissner

- Induzione E.M. E correnti indotte per una analogia interpretativa

- Effetto pinning

2) Resistività vs temperatura

Critical temperature for a superconductor Il percorso di ragionamenti prende avvio dall’effetto Meissner Focalizzando alla comprensione corretta dell’effetto nell’ambito delle interazioni magnetiche

Diverse prospettive: • Storica • Esplorazione di fenomeni • Applicationi

Ragioni • MQ è:

– il paradigma culturale di riferimento

– la fondazione teorica

per l’attuale descrizione dei fenomeni microscopici (Hadzidaki

et al. 2000).

• Le sue conseguenze sono molto importanti in molti campi scientifici

• "quantum-mechanical way of thinking“ is a cultural new approach to physics (Sakurai, 1985; Müller, Wieser

(2002); Hadzidaki, et al 2000)

La fisica quantistica nella scuola secondaria

Diversi approcci in letteratura

Le proposte di FQ nella scuola secondaria Ce ne sono di più che di fisica classica

(Cataloglu, Robinett 2002).

• Non c’è consenso per quanto concerne gli

– aspetti da trattare

– Approcci da adottare (Am. J. P. 2002; Phys. Educ. 2000)

• Le diverse possibili formulazioni e interpretazioni della MQ sono state adottate come prospettive / impostazioni per diverse proposte didattiche:

1. I problemi interpretativi in chiave storica

2. Una ricostruzione razionale dello sviluppo storico delle idee: gli esperimenti cruciali e la nascita della teoria dei quanti.

3. La formulazione ondulatoria

4. La formulazione vettoriale proposta da Dirac .

sono adottate strategie diverse per i percorsi di apprendimento

Formulazione ondulatoria

* rigorosa

* Richiede forti competenze

* in fisica e * in matematica, Che possono essere solo parzialmente ridotte usando simulazioni che

“visualizzano” situazioni (Zollmann, 2010).

Commenti alle proposte di fisica quantistica

Sviluppo storico dei problemi interpretativi Due proposte principali

1. Narrazione a livello qualitativo (molti libri di scuola secondaria) 2. Trattamento semiclassico lungo e difficile (Born).

Ricostruzione razionale degli sviluppi storici:

• Esperimenti cruciali • La nascita della teoria dei quanti.

• Vantaggi • Visione generale • Ci sono aspetti - ponte interdisciplinari

• Svantaggi: • prevalgono sugli aspetti concettuali della teoria:

• La discussione sugli esperimenti • La trattazione narrativa sulle discussioni dei problemi interpretativi di tipo

disciplinari

Commenti alle proposte di FQ

La proposta basata sulla FISICA DEI QUANTI

È un approccio alla quantizzazione

© sottolinea il passaggio dal continuo al discreto nella

rappresentazione delle grandezze fisiche

© affascinante e motivante nella ricostruzione razionale delle idee

© Può essere affrontata mediante un’analisi storica dei problemi

irrisolti e/o risultati di esperimenti inaspettati / non prevedibili

dal punto di vista classico.

© Richiede solo una trattazione fenomenologica di alcuni aspetti

© Lascia le ipotesi sul piano qualitativo, quando sarebbero

necessarie

© un’argomentazione puntuale e

© giustificazioni formali

Difficoltà:

Tempo: è in genere troppo poco per discutere la quantizzazione dell’atomo di Bohr la radice del dualismo onda-corpuscolo

Methodologiche: •Come vengono formulate le nuove ipotesi

interpretative? •In che senso è una teoria?

Formali: •Rimane sul piano descrittivo e semiquantitativo •Si perde la dimensione unificante del pensiero teorico •Si riduce a documentare l’accettabilità di singole ipotesi

La dimensione descrittiva

se accettabile sul piano divulgativo

appare NON soddisfacente sul piano didattico

Serve

* produrre consapevolezza degli assunti di riferimento della

nuova meccanica

* offrire qualche indicazione sul formalismo in essa adottato,

=> infatti il formalismo assume in meccanica quantistica

un ruolo quasi concettuale.

…fisica dei quanti / …fisica quantistica /

…meccanica quantistica

Un po’ di chiarezza

Nostra proposta Due piani

strategia: discutere semplici esperimenti in un contesto per avvicinarsi alle nuove idee della teoria

Esperimenti Che la fisica classica non interpreta per

focalizzare sui problemi e dare un contributo

metodologico sul piano sperimentale

Avvicinarsi alla teoria della MQ

Effetto Fotoelettrico

Effetto Compton

Esperimento di Frank & Hertz

Esperimento di Millikan

Effetto Zeeman (normale e anomalo)

Spettri di Emissione e Assorbimento

Diffrazione della luce e di elettroni

Effetto Ramsauer

I passi del percorso • Riduco intensità -> Malus vale ancora => polarizzazione

come proprietà del singolo fotone

• Preparazione di sistemi (fotoni) con una proprietà

• Interazione di fotoni con polaroid:

– Risultati certi (0,1): proprietà mutuamente esclusive

– Risultati stocastici: proprietà incompatibili

• Lo stato dell’oggetto quantico come vettore

• Significato dell’incompatibilità e principio di indeterminazione

• Stato di sovrapposizione, entaglement e impossibilità di conoscere la traiettoria 36

Polaroid F2

u w

Fotoni non polarizzati

Polaroid F1

Pt = cos2 = (u · w)2

N

Probabilità di

transizione dallo

stato u allo stato w

Nt u

w

N fotoni preparati (filtrati da F1)

probabilità Pt:

Pt = Nt/N = cos2,

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Conseguenze del principio di sovrapposizione

Principio di indeterminazione

I fotoni polarizzati a 45°, cioè nello stato sovrapposizione degli stati di polarizzazione verticale e orizzontale,

non hanno né la proprietà di polarizzazione orizzontale, né quella di polarizzazione verticale

Indeterminismo

Gli esiti ottenuti da una misura di

polarizzazione lungo le direzioni orizzontali

o verticali su fotoni polarizzati a 45° sono

genuinamente stocastici e non dovuti a

proprietà preesistenti del fotone

Non località

Esperimenti con fotoni “entangled” (nello

stato 1H2H-1V2V) evidenziano la natura

non locale della meccanica quantistica

Descrizione dei sistemi macroscopici ed il

problema della misura

Se H e V corrispondono a stati macroscopicamente diversi

di un sistema, a ciascuno dei quali corrisponde da una

definita proprietà del sistema,

lo stato H+V (sovrapposizione di H e V) non corrisponde

a proprietà macroscopiche definite del sistema.

Gatto di Schrödinger

La meccanica quantistica non diventa quindi equivalente

alla meccanica classica a livello macroscopico.

Una possibile soluzione al problema della misura è data

dalla teoria “La meccanica quantistaica con localizzazioni

spontanee

(G.C.Ghirardi, A.Rimini, T. Weber)

Grazie dell’attenzione

Marisa Michelini

Unità di Ricerca in Didattica della Fisica

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