PARTE 1 DEL CORSO DI LABORATORIO DI STORIA. · PDF file 1 DISPENSE DEL CORSO DI LABORATORIO DI...

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  • Dispense del corso LabSED, parte I, AA. 2007/08, M. G. Ianniello, riproduzione non consentita.

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    DISPENSE DEL CORSO DI LABORATORIO DI STORIA, EPISTEMOLOGIA E DIDATTICA DELLA

    FISICA (LABSED) AA. 2007/08

    di M. G. Ianniello Indice Premessa Modalità del corso

    Parte I. Fisica classica CAP. 1. Dalla fisica dei sensi alla termometria §1.1. I “gradi di calore” §1.2. I primi termometri e il problema della scala di temperatura §1.3. Punti fissi e scale §1.4. Alla ricerca di una temperatura assoluta CAP. 2. Alle radici del concetto di pressione §2.1. Il dibattito sull’esistenza del vuoto §2.2. La nuova filosofia sperimentale §2.3.Torricelli e l’esperienza dell’argento vivo §2.4. Il contributo di Pascal all’affermazione della teoria della colonna d’aria CAP. 3. La nascita della meccanica. Galileo e la caduta dei gravi § 3.1. La fisica pregalileana §3.2. Cronologia minima su Galileo §3.3. Ancora sui “gravi descendenti” §3.4. La commedia degli equivoci §3.5. Misurazione del tempo §3.6. Qualche riflessione CAP. 4. Dal calorico all’entropia §4.1. La natura del calore §4.2. La nascita della calorimetria §4.3. Dal calore come sostanza al calore come moto §4.4. Carnot e il rendimento delle “macchine a fuoco” §4.5. Gli esperimenti di Mayer e di Joule sulla determinazione dell’equivalente del calore §4.6. La nascita della termodinamica CAP. 5. I fenomeni luminosi, tra esperimento e matematizzazione § 5.1. Il dibattito sulla natura della luce nel Seicento: moto o materia? Presenze scomode: diffrazione, doppia rifrazione, interferenza. § 5.2. Il modello newtoniano della luce. § 5.3. Lo stato della ricerca in ottica nel Settecento §5.4. Un punto di vista assai poco ortodosso sull’origine dei colori: Goethe vs Newton § 5.5. Il modello ondulatorio. Il principio di interferenza e gli esperimenti di ottica fisica di Young § 5.6. Il contesto francese § 5.7. La teoria della diffrazione di Fresnel CAP. 6. Elettromagnetismo classico, dagli albori alle equazioni di Maxwell §6.1. Cronologia sintetica sugli albori dell’elettricità §6.2. Elettricità e magnetismo: nuove scoperte, nuove teorie § 6.3. La connessione tra luce e forze elettromagnetiche

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    §6.4. La sintesi di Maxwell dell’elettromagnetismo ottocentesco §6.5. La teoria elettromagnetica della luce di Maxwell e il contributo di Hertz CAP. 7. La scoperta dell’ elettrone §7.1. Il contesto teorico e sperimentale §7.2. J. J. Thomson e la misura di m/e §7.3. Il contributo di Millikan alla determinazione della carica assoluta dell’elettrone Parte II. Fisica atomica CAP. 8. La questione dell’atomismo e l’affermazione della teoria cinetica §8.1. La nascita della teoria cinetica §8.2. La stima delle dimensioni delle molecole §8.3. Altre strade per la stima delle dimensioni molecolari. L’esperimento di Rayleigh- Röntgen § 8.4. L’atomismo e le molte vie sperimentali per la determinazione della costante di Avogadro. CAP. 9 Il moto browniano §9.1. Perché trattare la storia del moto browniano §9.2. Cronologia del processo di scoperta del moto browniano § 9.3. Contesto teorico-sperimentale. Evidenza empirica a favore dell’atomismo § 9.4. Le prime ricerche sul moto browniano § 9.5. Analisi della trattazione di Einstein sul moto browniano §9.6. Fluttuazioni e opalescenza vicino al punto critico. CAP. 10. La nascita della spettroscopia §10.1. Cronologia sintetica §10.2. Verifica sperimentale della formula di Balmer e determinazione della costante di Rydberg R CAP. 11. Alle radici della legge del corpo nero di Planck §11.1. Le leggi della radiazione termica §11.2. Tra dati sperimentali e assunzioni teoriche. Verifica della legge di Stefan- Boltzmann e delle leggi di Kirchhoff §11.3. Agli esperimenti: verifica della legge di Stefan-Boltzmann §11.4. Corpi grigi e cubo di Leslie CAP. 12. Effetto fotoelettrico §12.1. Cronologia essenziale §12.2. Effetto Fotoelettrico: fenomenologia e interpretazioni teoriche §12.3. Agli esperimenti CAP. 13 L’atomo quantizzato di Bohr e l’esperimento di Franck ed Hertz §13.1. L’atomo di Bohr §13.2. Il percorso di Franck ed Hertz §13.3. Che faceva intanto Bohr? §13.4. All’esperimento CAP. 14 Lo spin dell’elettrone CAP. 15. Verso le basse temperature: la scoperta della superconduttività §15.1. In che consiste la superconduttività §15.2. Studio della resistenza elettrica in funzione di T §15.3. Un’altra scoperta importante: l’effetto Meissner §15.4. Le spiegazioni della SC

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    Il corso di Laboratorio di Storia, Epistemologia e Didattica della Fisica (LabSED)

    Premessa Queste dispense presentano i principali contenuti del corso di LabSED. Si tratta, come verrà specificato nella sezione “Modalità del corso”, in cui si espongono le finalità, gli esiti dell’apprendimento, la metodologia didattica e le forme di valutazione del corso, di un laboratorio di approfondimento di tematiche già affrontate in altri corsi o di tematiche del tutto nuove che combinano attività sperimentali con riflessioni di taglio storico ed epistemologico. L’esigenza di raccogliere i temi trattati in una dispensa è motivata dalla mancanza di un unico testo di riferimento. Molti esperimenti sono infatti inconsueti e non sono facilmente reperibili in letteratura se non per brevi cenni. Le informazioni sono disseminate in vari testi e se si trovano indicazioni specifiche su una certa procedura sperimentale, in particolare nelle guide che accompagnano le apparecchiature didattiche, mancano indicazioni che aiutino a ricostruire il quadro generale entro cui quella procedura è stata messa a punto. Ma può anche accadere che un esperimento dato per scontato, presenti all’atto pratico difficoltà sperimentali non banali ed esiti imprevisti ai quali dovremo far fronte servendoci della fisica che conosciamo, in modo collaborativo e attraverso discussioni fino ad arrivare a una soluzione ragionevole e condivisa. Va premesso che lo stile espositivo è discontinuo, dal momento che queste dispense raccolgono materiali sedimentati negli anni, scritti in momenti diversi e per esigenze diverse. Si tratta spesso di materiali di inquadramento su vari settori della fisica che vanno ulteriormente sviluppati dagli studenti che frequentano il corso e che in generale richiedono di connettere diversi argomenti tra loro. Agli studenti viene inoltre assegnato il compito di presentare, a un target di propria scelta, l’esposizione dei temi trattati mettendosi nei panni di un buon divulgatore o più semplicemente di un insegnante. Nelle dispense i riferimenti bibliografici, spesso alle memorie o alle Nobel lectures degli scienziati protagonisti, orientano gli studenti verso una lettura di prima mano delle vicende affrontate. Tutto il laboratorio ruota intorno ai cosiddetti esperimenti storici. La scelta è rivolta verso un esperimento particolarmente significativo nella storia della scienza. L’esperimento viene ‘ricostruito’ rispettando senza esagerare la disposizione sperimentale originaria e affrontato ammettendo come regola del gioco di conoscere in una prima fase solo il contesto di idee che motivarono la sua progettazione, senza necessariamente sapere “come è andata a finire”. Un’altra regola da rispettare è quella di avere consapevolezza della tecnologia disponibile all’epoca in cui l’esperimento venne realizzato, suggerendo modifiche attuabili con la tecnologia attuale. Si passa quindi all’esecuzione dell’esperimento secondo prassi usuali e se ne valuta l’esito alla luce delle conoscenze del tempo con un confronto serrato con gli sviluppi attuali. Gli esempi, come vedremo, possono essere molteplici, affrontabili a diversi livelli e con una diversa sofisticazione degli apparati sperimentali:

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    dal piano inclinato di Galileo agli esperimenti sulla pressione atmosferica, dalla scoperta dei raggi catodici alla classica e bella esperienza di Millikan della goccia d’olio; dall’esperimento di Röntgen-Rayleigh con il film d’olio per una prima stima grossolana delle dimensioni delle molecole, all’esperimento di Perrin sul moto browniano e la determinazione del numero di Avogadro, e ancora alla riproduzione in laboratorio dell’esperienza di Smoluchowski sul blu del cielo; dai primi esperimenti di Kirchhoff e Bunsen sullo spettro alla fiamma di alcuni composti, alla determinazione della costante di Rydberg con la lampada di Balmer, all’effetto fotoelettrico, all’esperimento sui potenziali critici di Franck ed Hertz, e così via. Questa particolare strategia consente: 1. di mettere insieme l’attività sperimentale e la componente storica ed epistemologica, con la possibilità di creare sinergie tra i due approcci del tutto naturali e consequenziali; per altro, molti degli obiettivi e delle abilità collegati all’attività sperimentale restano inalterati indipendentemente dalla contestualizzazione storica di un dato esperimento: la storia fornisce tuttavia, come attività di problem posing, un valore aggiunto all’esperimento, spesso visto nella pratica didattica nella sua veste riduttiva di sola attività di problem solving; 2. di costringere gli studenti ad approfondire in modo concreto le condizioni al contorno che hanno motivato la realizzazione di un dato esperimento; 3. di sollecitare gli studenti a