FISICA MODERNA PER LA SCUOLA SUPERIORE 1.1 - UniMi
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FISICA MODERNA
PER LA SCUOLA SUPERIORE
1.1
opportunità problemi alcune risposte
Marco Giliberti
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014O P P O R T U N I T A’ FQ ha un grande valore culturale ed è
importante per il PIL!
SIF: “The impact of physics on the Italian
economy”
Genera un grande interesse nei ragazzi
Genera motivazione
Gli studenti alla fine del liceo hanno già
molte idee su punti importanti di FM
E poi… FM ha più di un secolo di vita!
Opportunità di rivedere tutto l’insegnamento della fisica
che va ripensato, almeno nel triennio, se la FM è il culmine
dell’intero percorso
E’ una sfida che non possiamo permetterci di perdere
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014O P P O R T U N I T A’ CREARE SINERGIE
Formazione iniziale (TFA) e continua
(Master IDIFO) ecc. degli insegnanti
Laboratori PLS
Suole estive per studenti
Rendere più evidente il lavoro e le
ricerche dei PERG italiani
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014O P P O R T U N I T A’ RIFLETTERE
quale FQ proporre nella SSS
per quali scopi
con quali contenuti
con quale approccio
quali possano/debbano essere i rapporti
con le indicazioni ministeriali
i manuali scolastici
tra la ricerca in didattica della fisica e
la prassi scolastica
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI DOMANDE
Quali aspetti concettuali fondamentali di
FQ il cittadino di media cultura dovrebbe
conoscere? Perché?
Quali obiettivi culturali e disciplinari
relativi a FQ sono proponibili a studenti di
SSS?
Quale ruolo gioca il formalismo all’interno
di tali obiettivi?
Quali ricostruzioni didattiche dei
contenuti possono rappresentare quadri
concettuali opportuni per ottenere tali
obiettivi?
E’ possibile presentare in maniera onesta
e significativa la FQ nella SSS?
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI RISULTATI DELLE RICERCHE
Molti allievi universitari mostrano grandi
difficoltà nella comprensione degli aspetti
rilevanti di FQ
Spesso gli insegnanti di SSS non
possiedono un quadro coerente di FQ
Grandi difficoltà degli studenti di SSS ad
affrontare i principali aspetti concettuali
di FQ
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI RISULTATI DELLA RICERCA
L’approccio tradizionale all’insegnamento
di FQ è causa di profondi fraintendimenti
e incomprensioni
Non basta un insegnamento
concettualmente attento e coerente per
risolvere il problema, se si rimane
all’interno dell’insegnamento «standard»PROBLEMI In primo luogo il nostro linguaggio
descrive un’immagine. Che cosa si debba
fare di quest’immagine, in qual modo la si
debba impiegare, rimane oscuro. Ma è
chiaro che, se vogliamo comprendere il
senso di quello che diciamo, dobbiamo
esplorare l’immagine. Ma l’immagine
sembra risparmiarci questa fatica; allude
già a un impiego determinato. Così si
beffa di noi.
Wittgenstein Philosophical investigations
Dobbiamo innanzitutto occuparci dell’immagine
della Fisica Moderna:
Quella nella scuola
Quella nella società
Quella che vogliamo portare
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI [ciò] a cui diamo il nome di “realtà” è
soggetto a continui cambiamenti
perché lo status delle entità che
dovrebbero formare questa “realtà” è
molto flessibile
Es
• tempo assoluto
• etere luminifero
• atomo
Bellone L'origine delle teorie
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI Per questo motivo, non è possibile
separare l’oggetto della conoscenza
dallo strumento di conoscenza:
devono essere considerati come un
tutto unico
Le teorie sono costruzioni mentali che ci
aiutano a trovare e a definire la realtà e a
utilizzare le sue risorse
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI L’indagine fisica comincia con schemi e
concetti che non hanno bisogno di essere
spiegati dalle teorie
linguaggio e nozioni comuni
Procede introducendo altri concetti per
mezo di quello che chiamiamo “preteorie”
spiegazioni fisiche date per vere
per es. Il comportamento degli strumenti di
misura
Infine, arriviamo alle teorie fisiche
determinate dai concetti di base introdotti
sopra (schemi comuni + preteorie) + nuovi
concetti disciplinari ben definiti e
formalizzati
Ludwig, Thurler New foundation of physical theories
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI
Una spiegazione scientifica è una storia su
come alcune entità immaginate, considerate
reali, avrebbero agito insieme, secondo la
lora natura, per produrre il fenomeno da
spiegare
Ogborn Science and Commonsense
Il valore di verità di una teoria è dato
dall’insieme completo del suo formalismo
matematico, dal suo campo di applicabilità an
dale regole di corrispondenza tra questi due.
Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI ESEMPIO
Nella descrizione meccanica del mondo, alla
parola forza viene spesso assosiata una realta in
sè, come se le forze fossero elementi di realtà
indipendenti ed esterni.
Al contrario, in fisica, esse ricevono significato
nel contesto della teoria newtoniana con i suoi 3
principi…
La meccanica newtoniana non è un modo di
descrivere le forze, ma uno schema concettuale
nel quale le forze, attraverso le loro connessioni
formali con altri elementi della teoria, derivano il
loro significato e diventano parte della realtà
Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI L’espressione FQ nasconde idee e aspetti
molto diversi
I OLD QUANTUM PHYSICS
Fatti e interpretazioni dal 1900 al 1925
• radiazione di corpo nero (Planck)
• effetto fotoelettrico (Einstein)
• atomo di Bohr
•…
E’ un insieme di modelli con l’idea di
fondo dell’esistenza dei quanti
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI II MECCANICA QUANTISTICA
Formalismo dato da Heisenberg, Jordan, e
Born, oppure da Schrödinger e Dirac
E’ una teoria non relativistica con precisi
assiomi che descrivono il comportamento di
un numero finito di particelle interagenti
Ci sono molte formulazioni differenti della
MQ:
Heisenberg / wave function / path integral /
second quantization / pilot wave / ...
Weinberg The quantum theory of fields
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI III TEORIA QUANTISTICA DEI CAMPI
E’ una teoria quantistica relativistica
Ogni teoria quantistica relativistica avrà
l’aspetto della TQC a energia sufficientemente
basse
QED è una TQC. E solo in QED il concetto
di fotone è ben definito
Il modello standard è un modello di TQC
Weinberg The quantum theory of fields
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014PROBLEMI Molto spesso le interpretazioni divulgative,
ma anche quelle didattiche! Mischiano
queste 3 parti con grande ingenuità
grande problema
Questo non succede con l’insegnamento di
Meccanica
Termodinamica
Elettromagnetismo
…
Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014RISPOSTE
Invece dobbiamo:
1) Scegliere una teoria di riferimento in una
delle sue formulazioni
2) Identificare i concetti della teoria (quello
di cui parla – quello di cui si può parlare)
3) Capire le loro relazioni e iI loro significato
all’interno della teoria
Cavallini, Giliberti La lezione della meccanica quantistica
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014RISPOSTE Obiettivi formativi per insegnanti
• Consapevolezza che lo sviluppo teorico della
fisica quantistica non si è esaurito con la
formulazione della meccanica quantistica nel
1926
• Consapevolezze della necessità di avere come
riferimento una precisa teoria fisica formale
• Consapevolezza del cambiamento di
significato di alcuni fondamentali concetti
quantistici nel “passare” dalla prima vecchia
teoria dei quanti, alla meccanica quantistica e
infine alla teoria quantistica dei campi di oggi,
anche alla luce di esperimenti “recenti”
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014RISPOSTE • Consapevolezza della dipendenza delle
concezioni difformi degli studenti dal tipo di
approccio seguito per la presentazione della
fisica quantistica
• Consapevolezza dell’importanza, ai fini di una
presentazione didattica, di rivedere “la fisica” anche
quella cosiddetta “classica” dal punto di vista della
fisica di “oggi”
• Consapevolezza della non univocità delle scelte
didatticamente efficaci, con la conseguente libertà
dell’insegnante di proporre una propria
Weltanshauung, vincolata dalla conoscenza delle
interrelazione tra formulazioni diverse e delle loro
soggiacenti rappresentazioni
ontologiche del mondo.
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014obiettivi indispensabili/pragmatici
RISPOSTE
• idea di quanto come fondamentale nella
descrizione delle interazioni «microscopiche»
• necessità di una teoria lineare nella
descrizione dei sistemi quantistici che si
sviluppa da una teoria delle onde
• genuinità della descrizione probabilistica in
FQ
• relazioni di De Broglie
• relazioni di Heisenberg
• livelli energetici discreti per sistemi confinati
• applicazioni della teoria per capire il mondo
Marco Giliberti PLS Fisica Milano 21 novembre 2014Indicazioni personali ricavate dalla ricerca
RISPOSTE
• Inopportuna l’insistenza sulla tradizionale
«crisi» della FC con un approccio
(pseudo)storico (si recupera dopo)
Oggi conosciamo molta fisica in più, molti fatti
sperimentali. Perché complicarci la vita per
seguire un percorso (pseudo)storico?
Oggi abbiamo fatti sperimentali molto
eloquenti che si capiscono più facilmente
• Inopportunità di partire dal problema del
corpo nero (ci vuole proprio troppa fisica per
capirlo)
• Inopportuna l’insistenza su modelli ad hoc
(per. es. dell’atomo) basati sulla OQT
• Inopportuno chiacchierare sugli aspetti
epistemologici tendendo a essere divulgativi
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