Luca Fiorani
Didattica
della fisica
La scienza
Luca Fiorani
Didattica della fisica
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
Luca Fiorani
Didattica della fisica
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)
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Didattica della fisica
Cosa si intende per Scienza?
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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

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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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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.
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Didattica della fisica
La Scienza come strumento di
progresso sostenibile
 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
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Un esempio: il telefono cellulare
Conoscenza scientifica
550 a. Cristo, Talete di Mileto
descrive le proprietà elettriche
dell'ambra e della magnetite
Ricerca applicata
Tecnologia
Guglielmo Marconi (1874 - 1937),
dimostrò per primo la possibilità
di collegamenti a distanza senza
fili utilizzando le onde
elettromagnetiche
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.
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Didattica della fisica
Cosa è il metodo scientifico?
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Processo di acquisizione della
conoscenza scientifica: il metodo
scientifico
 Galileo
Galilei (1564 –1642)
padre del metodo scientifico
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Didattica della fisica
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.
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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.
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Fase 3: verifica sperimentale
 Si
devono fare esperimenti di laboratorio in
condizioni di rigorosa riproducibilità (chiunque
deve poter ripetere l’esperimento)
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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
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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
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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
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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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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.
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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
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Chi fa la Scienza?
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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Didattica della fisica
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
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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
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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?
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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
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Fine della lezione…
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