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Corso di preparazione in fisica moderna

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Programma del corso di fisica moderna – 2012

 

Tema: dall'elettromagnetismo al dualismo onda-corpuscolo con uno sguardo alla fisica subatomica. L'idea del corso è quella di approcciare la fisica moderna in modo rigoroso ma senza utilizzare un eccessivo formalismo matematico, che farebbe perdere di vista il fine ultimo, cioè la comprensione dei fenomeni. Il corso parte dalla crisi della fisica classica, e quindi dalle leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, analizzando in dettaglio gli esperimenti e i fenomeni che hanno portato alla nascita della meccanica quantistica, pilasto di quella che va sotto il nome di fisica moderna. Ogni incontro prevede anche una parte laboratoriale, in alcuni casi realizzata con materiali poveri, in altri necessariamente con l'utilizzo di setup più avanzati. Per gli esperimenti più avanzati, di cui non tutte le scuole sono dotate, si può pensare di riprendere l'esperimento e di fare un sito dedicato dove raccogliere i dati in modo che ogni docente possa utilizzarli in classe. Dato che la meccanica quantistica in particolare, e la fisica moderna in generale, sono viste dai ragazzi come elementi misteriosi avulsi dal mondo che li circonda, cercheremo di legare i concetti alle ricadute che hanno avuto nella vita di tutti i giorni.
 
Durata: 6 pomeriggi di 3 ore, suddivise tra attività frontale e attività in laboratorio

Organizzazione dei 6 pomeriggi:

Incontro 1:  Verso la crisi della fisica classica. Scopo di questo incontro è rivedere insieme gli elementi principali dell'elettromagnetismo cercando di realizzare degli esperimenti con materiali “poveri” da poter far costruire ai ragazzi direttamente in classe. Questo primo incontro sarà anche un momento importante di confronto rispetto al modo in cui l'elettromagnetismo viene introdotto in classe e a come si possa rendere i concetti più difficili (come ad esempio l'induzione magnetica) decisamente intuitivi. La fase di laboratorio prevede la realizzazione di elettroscopi, motori elettrici, altoparlanti e di un setup per l'osservazione dell'induzione magnetica.

Incontro 2: Il terremoto: la scoperta dei raggi X, l'esperimento di Rutherford, la radioattività naturale. Uno dei modi per avvicinarsi alla fisica moderna è quello di ripercorrere gli elementi che hanno portato alla crisi della fisica classica. Alcuni di questi, come l'esperimento di Rutherford, possono solo essere raccontati e analizzati, altri possono essere realizzati. La radioattività naturale ad esempio è un ottimo elemento da trattare in classe, sia con misure intuitive, che con l'analisi del decadimento radioattivo e delle leggi che lo governano. Questo stesso argomento permette di toccare problematiche attuali come l'energia nucleare e la medicina nucleare, con agganci quindi in ambiti completamente diversi. In laboratorio, useremo insieme un contatore Geiger misurando la radioattività emessa dal cloruro di potassio e da un pezzo di uranite. Se abbiamo tempo, tocchiamo anche l'argomento raggi cosmici.

Incontro 3: L'ultimo elemento del nucleo: l'elettrone. In realtà l'esperimento di Thomson sull'elettrone è precedente a quello di Rutherford e ad alcuni degli aspetti raccontati nell'incontro 2, ma lo trattiamo a parte in quanto la misura del rapporto carica/massa dell'elettrone è una milestone per la fisica delle particelle. In questo incontro, analizzeremo la misura di Thomson (che poi ripetiamo in laboratorio) facendo poi un balzo nel futuro parlando di acceleratori di particelle, di come sono fatti e di come vengono usati (ad esempio in ambito medico).

Incontro 4: L'effetto fotoelettrico, il via alla nuova concezione della materia. In questo incontro, oltre a ripercorrere l'esperimento che valse il premio Nobel a Einstein, incontreremo gli elementi chiave di tutti i circuiti elettronici moderni, i materiali semiconduttori. Non sarà una lezione di elettronica, ovviamente, ma un insight in quello che ha portato alla nascita del telefonino e del computer. Durante il laboratorio, realizzeremo la misura della costante di Planck utilizzando un set di led.

Incontro 5: Da Rutherford a Bohr, la base della cosiddetta prima meccanica quantistica. In questo incontro completeremo il concetto di quantizzazione introdotto da Einstein, completando la visione dell'atomo di Rutherford e utilizzando sia il concetto di momento angolare che di spettro atomico. In laboratorio, ci divertiremo a osservare con uno spettroscopio “da poveri” gli spettri emessi da diversi tipi di lampade, correlando l'osservazione con il materiale che contengono.

Incontro 6: Il dualismo onda-corpuscolo: l'abc della fisica moderna. Questo incontro raccoglie le fila degli incontri precedenti facendo un “salto mentale”: non si arriva alla formulazione matematica ma si solletica la curiosità di chi ci ascolta portando i ragazzi un passo alla volta verso le leggi del mondo microscopico. L'esempio migliore del dualismo onda corpuscolo è rappresentato dalla diffrazione degli elettroni, cioè l'esperimento in cui si ottengono figure di diffrazione tipiche delle onde utilizzando però delle particelle, gli elettroni appunto. La parte di laboratorio prevede la realizzazione di questa misura.

 

Programma del corso di fisica moderna – 2015

Tema: dal dualismo onda-corpuscolo alla fisica atomica, riproducendo gli esperimenti della crisi della fisica classica e calando la fisica moderna nel contesto della quotidianità.

 

LEZIONI - 2015

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LEZIONI

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lezione4.pdf

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lezione5.pdf

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lezione6.pdf

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