Didattica della fisica Luca Fiorani Didattica della fisica La scienza

Cosa apprenderemo in questo modulo? Cosa è la Scienza Come si fa la Scienza: il metodo scientifico Chi fa la Scienza: gli scienziati Con che cosa si fa la Scienza: gli strumenti di misura

Perchè occorre capire bene il significato della Scienza, cosa essa persegue e come? LA CASA SULLA ROCCIA Un uomo costruì la sua casa, ha scavato molto profondo e ha posto le fondamenta sopra la roccia. Venuta la piena, il fiume irruppe contro quella casa, ma non riuscì a smuoverla perché era costruita bene. Un altro uomo costruì la casa sulla terra, senza fondamenta. Il fiume la investì e subito crollò; e la rovina di quella casa fu grande. (Luca 6, 46-49)

Cosa si intende per Scienza?

La Scienza Scienza: sistema di conoscenze ottenute con procedimenti metodici e rigorosi allo scopo di giungere a una descrizione oggettiva della realtà e delle leggi che regolano l'occorrenza dei fenomeni. Scienza deriva dal Latino "scientia” che significa “conoscenza”. Scopo della scienza: lo scopo ultimo della scienza è la comprensione e la modellizzazione della natura al fine di poter prevedere lo sviluppo di uno o più fenomeni

Oggettività della Scienza: universalità delle definizioni e delle unità di misura Ogni termine deve essere definito in maniera univoca ed universalmente accettata da tutta la comunità scientifica Es.: la temperatura è la proprietà fisica che regola il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro Ogni grandezza fisica deve essere misurabile con un'unità di misura definita Es.: la scala Celsius (scala centigrada), nella quale si assume che il valore di 0 °C corrisponda al punto di fusione del ghiaccio e il valore di 100 °C corrisponda al punto di ebollizione dell'acqua a livello del mare

Oggettività della Scienza: riproducibilità Per essere ritenuta valida, un'esperienza scientifica deve godere della proprietà della riproducibilità, deve cioè essere possibile ripeterla da qualunque sperimentatore e pervenendo allo stesso risultato finale ogniqualvolta si fa avvenire nelle stesse condizioni chimico-fisiche, con gli stessi prodotti della stessa purezza, ecc.: ripetendo cioè n volte l'esperienza si devono ottenere n volte gli stessi risultati finali

Oggettività della Scienza: l’esempio della fusione del ghiaccio Il ghiaccio fonde, cioè diventa liquido, alla temperatura di 0 °C alla pressione atmosferica In un laboratorio in qualsivoglia punto della Terra, se si riproduce una condizione di pressione atmosferica (1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101325 Pa = 1013.25 mbar) un cubetto di ghiaccio diventa acqua alla temperatura di 0 °C indipendentemente dallo sperimentatore e da tutte le altre condizioni esterne

Come il significato di Scienza si è ampliato nel corso del tempo Le Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali hanno alle spalle una lunga tradizione e una storia di brillanti successi intellettuali Esse hanno influito notevolmente sulla nostra concezione della Scienza: le loro caratteristiche tendono a essere considerate come criteri ai quali ogni disciplina che voglia definirsi scientifica deve adeguarsi Da qui nasce l’approccio scientifico ad una più vasta gamma di discipline: Scienza dell’Informazione, Scienze Economiche, Scienze Motorie, Scienze Umanistiche, Scienza della Psicologia, Scienze Politiche, etc.

La Scienza come strumento di progresso sostenibile Conoscenza scientifica Ricerca Applicata Tecnologia La conoscenza scientifica è alla base del progresso tecnologico La tecnologia è la creazione di un nuovo prodotto e processo sviluppato per aumentare l'efficienza, le possibilità di sopravvivenza, il livello di conforto e la qualità della vita

Un esempio: il telefono cellulare Conoscenza scientifica Ricerca applicata Tecnologia Guglielmo Marconi (1874 - 1937), dimostrò per primo la possibilità di collegamenti a distanza senza fili utilizzando le onde elettromagnetiche 550 a. Cristo, Talete di Mileto descrive le proprietà elettriche dell'ambra e della magnetite 3 aprile 1973, Martin Cooper effettua la prima telefonata con un cellulare 1820 Hans Cristian Oersted (1777-1851) scopre l’interazione tra un filo percorso da corrente ed un ago magnetico.

Cosa è il metodo scientifico?

Processo di acquisizione della conoscenza scientifica: il metodo scientifico Galileo Galilei (1564 –1642) padre del metodo scientifico

Fase 1: osservazione del fenomeno e sua schematizzazione Si tratta di isolare gli aspetti rilevanti del fenomeno con qualche accorgimento tecnico, eliminando le complicazioni sempre presenti in ogni fenomeno naturale. Si cerca di rendere trascurabili effetti di natura più complessa da introdurre in seguito come perturbazione. Si costruisce cioè un modello semplificato del fenomeno naturale.

Fase 2: processo di misura Le grandezze fisiche, individuate come essenziali nel processo di schematizzazione, vanno misurate fornendo un numero (con stima dell’errore) seguito da un unità di misura. Le grandezze fisiche devono essere definite in modo operativo, dando cioè delle regole precise per poterle misurare.

Fase 3: verifica sperimentale Si devono fare esperimenti di laboratorio in condizioni di rigorosa riproducibilità (chiunque deve poter ripetere l’esperimento)

Fase 4: formulazione della legge Derivazione delle leggi che governano il fenomeno. Si devono determinare correlazioni quantitative tra grandezze misurate attraverso tabelle, grafici e formule matematiche. Le leggi sono relazioni (di solito matematiche) tra le grandezze fisiche coinvolte nel fenomeno e che sono state misurate con una certa precisione negli esperimenti

Fase 5: previsioni Le leggi formulate permettono di fare previsioni di nuovi fenomeni correlati. Dalle leggi si deducono le conseguenze previste che devono (quando possibile) essere verificate sperimentalmente. Leggi e modelli devono essere abbandonati se anche un solo esperimento fornisce un risultato incompatibile con le previsioni

Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 1 - osservazione del fenomeno e sua schematizzazione: Galileo osservava i corpi cadere dalla Torre di Pisa e voleva stabilire una legge che descrivesse il fenomeno. Doveva misurare il tempo di caduta e lo spazio percorso e trovare una relazione. Fase 2 - processo di misura: Galileo misurò con i mezzi a disposizione il tempo di caduta, ma non riusciva ad ottenere dati precisi perchè i corpi cadevano troppo velocemente

Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 3 - verifica sperimentale: poiché Galileo non disponeva di metodi sofisticati per misurare il tempo, studiò la caduta lungo un piano inclinato perchè lungo di esso i corpi cadono più lentamente La caduta libera è un caso limite della caduta lungo un piano inclinato: più si aumenta l’angolo meglio si simula la caduta libera

Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 2 - processo di misura: Galileo misura il tempo di caduta della sfera per diverse lunghezze del percorso Δs. Poi, confrontando tempi di discesa Δt e lunghezze, verifica che esiste una proporzionalità diretta fra Δs e il quadrato di Δt; questo è vero per diverse inclinazioni del piano e anche quando cambia la massa e la composizione della sfera: Fase 4 - formulazione della legge: Galileo formula la "legge di caduta dei gravi" Δs=(1/2)g(Δt)2

Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Fase 5 - previsioni: in assenza di attrito (aria) tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione, una piuma e un martello arrivano al suolo nello stesso istante Per la verifica delle previsioni si dovette aspettare il XVII secolo con il cosiddetto "tubo di Newton", un recipiente trasparente di forma cilindrica dal quale è stata tolta l’aria. Inizialmente, gli oggetti di cui si vuole confrontare il moto di caduta sono all’estremità inferiore del tubo, tenuto in posizione verticale. Questo viene rovesciato di colpo, e si vedono i due corpi - uno pesante, l’altro molto più leggero - cadere simultaneamente.

Metodo scientifico: l’esempio della caduta dei gravi Una verifica ben più suggestiva si è avuta durante la Missione Apollo 15 sulla Luna quando il capitano Scott fece cadere un martello ed una piuma e verificò di fronte agli occhi di tutto il mondo che raggiungono il suolo lunare allo stesso istante

Chi fa la Scienza?

La Scienza è fatta dai ricercatori La Scienza è un processo cognitivo sviluppato dall’uomo per comprendere e prevedere il comportamento del mondo che lo circonda Il ricercatore elabora e sintetizza con il suo pensiero i dati che provengono dai suoi studi in relazione alla conoscenza attuale per aumentarne il grado di comprensione Lo sviluppo della scienza dipende dall’abilità dei ricercatori: il fattore umano è fondamentale per il progresso

Lo sviluppo della Scienza Nel corso della storia dell’umanità ci sono state delle figure che hanno saputo sintetizzare e rendere consistente una serie dati provenienti da osservazioni sperimentali ed elaborare teorie e principi generali fondamentali per il progresso dell’umanità Lo sviluppo della Scienza è il più delle volte un processo discontinuo in cui grandi balzi in avanti si susseguono a periodi di progressi impercettibili

I grandi: Isaac Newton (1642-1727) Isaac Newton riuscì a sintetizzare le conoscenze dell’epoca per stabilire i fondamenti della meccanica classica, della gravitazione universale e dell’ottica geometrica I risultati ottenuti da Newton sono ancora oggi utilizzati per calcolare con precisione le traiettorie dei satelliti artificiali e delle sonde nelle missioni spaziali, la posizione dei pianeti e i fenomeni ottici di riflessione e rifrazione

I grandi: Albert Einstein (1879-1955) Riuscì a sintettizzare una serie di osservazioni sperimentali e riformulare una teoria più generale della gravitazione, sulla relatività del moto e del tempo e sul concetto di energia I suoi risultati sono alla base della generazione di energia attraverso processi nucleari e del funzionamento delle macchine acceleratrici con cui si studiano i costituenti elementari della materia

Ruolo della storia della Scienza Una più ampia comprensione della storia che ha accompagnato una scoperta scientifica e dei personaggi che la hanno determinata è fondamentale per comprenderne la portata e capire come attivare dei processi di analisi e deduzione capaci di affrontare in maniera costruttiva un problema scientifico

Gli strumenti di misura Ogni osservazione scientifica presuppone l’osservazione e la misura quantitativa di parametri fisici e chimici Gli strumenti di misura permettono al ricercatore di osservare ed acquisire i dati necessari per svolgere le varie fasi del metodo scientifico Ogni innovazione apportata da un nuovo strumento di misura abilità nuovi percorsi di indagine e progresso nella conoscenza scientifica

Gli strumenti di misura Uno strumento di misura ideale deve essere: affidabile, nel senso che deve fornire sempre gli stessi valori se le condizioni di misura non cambiano non distruttivo, nel senso che non deve interferire con il processo che si sta misurando e non apportare modifiche al campione in misura

Strumenti di misura analogici e digitali Analogici: dove il formato d'uscita è tale da dare valori di misura infinitamente contigui, limitati solo dalla risoluzione ottenibile nella lettura della scala graduata Digitali: dove il formato d'uscita è tale da dare sempre valori di misura discreti, pari alla variazione di un digit

Errore di misura Ogni misura è affetta da errore. Per chiarire questo punto mi aiuterò con il comò della bisnonna: si adatterà alla nuova parete?

Errore di misura Prima misura comò 6 spanne, parete 6 spanne Seconda misura comò 118 cm, parete 122 cm (118 ± 1 cm, 122 ± 1 cm) Non serve arrivare al milionesimo di metro con un laser Prima misura comò 6 spanne, parete 6 spanne Prima misura comò 6 spanne, parete 6 spanne Seconda misura comò 118 cm, parete 122 cm (118 ± 1 cm, 122 ± 1 cm)

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