Didattica della fisica Luca Fiorani Didattica della fisica Lettura commentata di «Personaggi e scoperte della fisica»

Lettura commentata di «Personaggi e scoperte della fisica» Vol. 1, da p. 27 a p. 51 Vol. 1, da p. 62 a p. 70 (fino a «dovevano renderlo immortale» a riga 3 dal basso) Vol. 1, da p. 71 (da riga 1 dal basso) a p. 88 (fino a riga 20) Vol. 1, da p. 90 a p. 94 (fino a «semimistici e segreti» a riga 8 dal basso) Vol. 1, p. 104 (da riga 6) 2

Lettura commentata di «Personaggi e scoperte della fisica» Vol. 2, da p. 28 a p. 45 Vol. 2, da p. 77 a p. 86 (fino a riga 6) Vol. 2, da p. 88 (da «la radiazione di» a riga 6) a p. 89 Vol. 2, da p. 90 (inizio ultima sezione) a p. 96 (fino a riga 1) Vol. 2, da p. 97 (da riga 11) a p. 100 Vol. 2, da p. 196 (da riga 3 dal basso) a p. 217 3

Galileo Galilei Nasce a Pisa nel 1564 (papà musicista) Nel 1574 va a Firenze Nel 1581 torna a Pisa e si iscrive a medicina Nel 1583 è introdotto alla geometria e scopre l’isocronismo del pendolo Nel 1585 torna a Firenze e continua a occuparsi di «fisica» e conosce Guidobaldo del Monte Dal 1589 al 1592 è professore di matematica all’Università di Pisa (grazie anche a Guidobaldo) Nel 1592 è in difficoltà economiche 4

Galileo Galilei Dal 1592 al 1610 è professore di astronomia e geometria all’Università di Padova (grazie a Guidobaldo) Affitta una grande casa con studenti, «bottega» e lavorante Studia dinamica e astronomia Inventa e produce il «compasso geometrico e militare» Conosce Giovanni Francesco Sagredo Dal 1599 fino al suo ritorno a Firenze convive con Marina Gamba da cui ha tre figli 5

Galileo Galilei Nel 1609 costruisce il «perspicillum» e lo propone al Doge per applicazioni militari Il Doge gli offre l’insegnamento a vita e uno stipendio da favola Scopre i satelliti di Giove, la natura stellare della Via Lattea, le fasi di Venere, la stranezza di Saturno, le macchie solari, i monti della Luna… Nel 1610 pubblica il «Sidereus nuncius» Nel 1610 torna a Firenze, «sedotto» dalle eccellenti condizioni offerte dal Granduca Comincia a sostenere apertamente Copernico 6

Galileo Galilei Nel 1611 va a Roma per presentare alla Chiesa le sue teorie: è ricevuto dal papa e nominato accademico dei Lincei A Firenze è attaccato dalla Chiesa: si difende anticipando l’esegesi biblica Nel 1616 è convocato a Roma e informato che Copernico era stato condannato dall’Inquisizione Nel 1623 un amico diventa papa (Urbano VIII) Nel 1630 pubblica il «Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo» (Salviati, Sagredo e Simplicio) dopo un viaggio a Roma in cui gli è imposto di scrivere che il sistema copernicano è un’ipotesi 7

Galileo Galilei Dal 1633 è agli arresti domiciliari ad Arcetri Nel 1633 è convocato a Roma e il Granduca lo costringe ad andare È condannato dal Sant’Uffizio ad abiurare Dal 1633 è agli arresti domiciliari ad Arcetri Nel 1634 perde la primogenita Suor Maria Celeste Nel 1636 pubblica a Leida i «Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze» in cui anticipa il calcolo infinitesimale e i principi della dinamica Nel 1639 gli viene concesso di avere un discepolo Muore nel 1642 8

Isaac Newton Nasce a Woolsthorpe nel 1642 (figlio postumo di un proprietario terriero) Non è un genio precoce, anche se costruisce giocattoli meccanici Un sacerdote persuade la madre a farlo andare all’università Nel 1661 è ammesso all’Università di Cambridge Si mantiene agli studi e si interessa un po’ di tutto Professa ufficialmente l’anglicanesimo (ma è segretamente puritano e unitariano) Nel 1665 è Bachelor of Arts 9

Isaac Newton Nel 1665 torna a casa per evitare la peste Scrive il teorema sui binomi Scopre la gravitazione universale Conosce già il calcolo infinitesimale e le leggi della dinamica? Elabora una teoria della luce Nel 1667 torna a Cambridge Rivela al suo maestro Barrow le sue scoperte (ma le pubblicherà dopo) Nel 1669 sostituisce Barrow come Lucasian professor Nel 1672 è membro della Royal Society 10

Isaac Newton Costruisce il telescopio a riflessione Scopre la dispersione della luce Nel 1687 pubblica «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» Nel 1689 muore la madre Nel 1692 soffre di depressione e manie di persecuzione Nel 1696 è nominato ispettore (n. 2) della zecca e si trasferisce a Londra Nel 1699 è nominato direttore (n. 1) della zecca 11

Isaac Newton Non riprende gli studi scientifici ma si dedica segretamente ad alchimia e teologia (eretica) Litiga con Hooke, Flamsted, Leibniz… Nel 1699 fa accusare Leibniz di plagio da alcuni membri della Royal Society Nel 1703 è presidente della Royal Society Dal 1705 è Sir Muore nel 1727 «La natura e le leggi della natura giacevano nascoste nella notte; Dio disse: "Che Newton sia!", e luce fu» (Alexander Pope) 12

Henri Becquerel, i Curie e la scoperta della radioattività Röntgen scopre i raggi X nel 1895 Becquerel pensa che siano legati alla fluorescenza Mette composti di U fluorescenti su una lastra fotografica avvolta in carta nera Ripone il tutto in un cassetto aspettando una giornata di sole Sviluppa la lastra per avere un controllo (senza sole) La lastra era impressionata! E la colpa era di U. 13

Henri Becquerel, i Curie e la scoperta della radioattività Maria Sklodowska (studentessa) conosce Pierre Curie (insegnante) nel 1894 e lo sposa nel 1895 Maria studia la radioattività per il suo dottorato La radioattività è una proprietà atomica I minerali naturali di U sono più radioattivi di quelli sintetici: altri elementi radioattivi? Nell’aprile 1898 i Curie scoprono Po La radioattività decade esponenzialmente: N=N0e-t/T (0.7×T è il tempo di dimezzamento) 14

Henri Becquerel, i Curie e la scoperta della radioattività Da dove viene l’energia della radioattività? Nel settembre 1898 i Curie scoprono Ra Nel 1900, da una tonnellata di minerale, ottengono abbastanza Ra (mescolato a Ba) per studiarlo (Ra puro solo nel 1912) Nel 1903 i Curie vincono metà del Nobel per la fisica (l’altra metà a Becquerel). Nel suo discorso Pierre riconosce la pericolosità della radioattività. Nel 1904 Maria consegue il dottorato e Pierre ottiene un posto alla Sorbona 15

Henri Becquerel, i Curie e la scoperta della radioattività Nel 1906 Pierre muore in un incidente stradale e Maria prende il suo posto alla Sorbona Nel 1911 Maria vince il Nobel per la chimica Nel 1934 Irène Curie (figlia) e Frédéric Joliot (genero) scoprono la radioattività artificiale (condividendo il Nobel per la chimica nel 1935) Nel 1934 Maria muore in Svizzera 16

Henri Becquerel, i Curie e la scoperta della radioattività Nozioni che lo studente dovrà possedere all’esame (a livello elementare): Raggi X Fluorescenza Radioattività 17

Einstein: nuovi modi di pensare Nasce a Ulm nel 1879 da ebrei tedeschi Ha un rapporto conflittuale con le istituzioni scolastiche (al secondo tentativo è ammesso al Politecnico di Zurigo) Nel 1900 si diploma Nel 1902 inizia a lavorare all’ufficio brevetti Nel 1905 pubblica tre lavori fondamentali su: Effetto fotoelettrico Moto browniano Relatività ristretta 18

Einstein: nuovi modi di pensare Relatività ristretta Rivoluzione dei nostri concetti di spazio e tempo Teorie corpuscolare (Newton) e ondulatoria (Huygens) della luce L’interferenza dà ragione a Huygens La luce come onda elettromagnetica (Maxwell) Teoria dell’etere Esperienza di Michelson e Morley: c è la stessa in tutti i sistemi di riferimento (inaspettato) 19

Einstein: nuovi modi di pensare Principio di relatività (Galileo): «non è possibile distinguere un sistema di riferimento da un altro che si muove rispetto al primo di moto rettilineo uniforme» Trasformazioni di Galileo (meccanica): x’=x-vt t’=t Trasformazioni di Lorentz (elettromagnetismo): x’=γ(x-vt) t’=γ(t-xv/c2) 20

Einstein: nuovi modi di pensare Conseguenze del principio di relatività: Due eventi simultanei per un osservatore possono non esserlo per un altro Paradosso dei gemelli Cronotopo Velocità limite Massa variabile Conservazione della massa-energia: E=mc2 21

Einstein: nuovi modi di pensare Effetto fotoelettrico Luce. Particella? Onda? Quanto! Planck: la luce è emessa in «quanti» Einstein: la luce esiste in «quanti» L’energia di un «quanto» è proporzionale alla frequenza della luce tramite la costante di Planck Moto browniano «Prova» dell’esistenza degli atomi e delle molecole 22

Einstein: nuovi modi di pensare 1909: Università di Zurigo 1911: Università di Praga 1912: Politecnico di Zurigo 1914: Università di Berlino Dal 1914 al 1916 lavora alla relatività generale La gravitazione viola il principio di relatività Principio di equivalenza (Galileo): «le masse inerziale e gravitazionale sono uguali» Ascensore di Einstein Gravitazione come deformazione geometrica 23

Einstein: nuovi modi di pensare 1919: la gravità devia la luce 1921-22: Nobel 1922: effetto Compton 1933: Università di Priceton 1939: lettera a Roosevelt Muore nel 1955 24

Einstein: nuovi modi di pensare Nozioni che lo studente dovrà possedere all’esame (a livello elementare): Effetto fotoelettrico Moto browniano Relatività ristretta Interferenza delle onde Relatività generale 25

Enrico Fermi e l’energia atomica Nasce a Roma nel 1901 Fermi è studente modello e genio precoce 1922: laurea alla Normale Corbino e Fermi, maestro e discepolo Borse, viaggi e cattedra di fisica teorica «I ragazzi di via Panisperna» 1933: spiegazione del decadimento beta Radioattività artificiale da neutroni 1934: bombardamento di U: transuranici? No! Fissione nucleare (Hahn e Strassmann 1938) 26

Enrico Fermi e l’energia atomica 1934: i neutroni lenti sono più efficaci 1938: Nobel e fuga alla Columbia University Il Manhattan Project e il Los Alamos Laboratory 02/12/1942: prima reazione a catena. Fermi dimostra che è possibile sfruttare l’energia atomica e il mondo lo ricorda per questo! Bomba o pila? Occorre arricchire U o produrre Pu 16/07/1945: Trinity Test. 06 e 09/08/1945 Little Boy (U) e Fat Man (Pu) Muore nel 1954 27

Enrico Fermi e l’energia atomica Nozioni che lo studente dovrà possedere all’esame (a livello elementare): Decadimento beta Radioattività artificiale Neutroni Fissione nucleare Uranio Plutonio 28

Fine della lezione… 29