Il programma del corso, ovvero i contenuti

Vincenzo Calabrò

I contenuti del corso di Elettromagnetismo Classico

1) Teoria del campo: 33 ore

2) Circuiti elettrici in c.c.: 33 ore

3) Teoria di Maxwell: 33 ore

4) Esperimenti di laboratorio: 33 ore

N.B. Le ore previste nei moduli dalla programmazione didattica iniziale sono da considerare orientative e, onde evitare fraintendimenti, per niente prescrittive. All'ultimo anno degli studi liceali qualunque gabbia oraria potrebbe pregiudicare pesantemente l'apprendimento, che è qui inteso non come una meccanica acquisizione di abilità specifiche, ma come significativo e adeguato cambiamento dello "stato culturale" dell'allievo che desidera transitare da una conoscenza intuitiva e superficiale dei fenomeni e delle categorie scientifiche più importanti del corso a una comprensione efficace e culturalmente rilevante dei meccanismi che regolano il funzionamento del nostro universo fisico. Il sito web che segue permette di avere a disposizione un interessante strumento di efficace apprendimento. Clicca qui e ... buon lavoro.

TEORIA DEL CAMPO : 33 h

MODULO 1: massa gravitazionale, carica elettrica e relativi campi [1]

a) Analisi parallela e visione analogica dei fenomeni stazionari di tipo gravitazionale ed elettrostatico;

Legge gravitazionale di Newton e legge elettrostatica di Coulomb [1] [2] [3][4] [5] [6]: la deduzione delle due leggi di interazione gravitazionale ed elettrostatica;
Preesistenza delle cariche elettriche nei corpi [1], struttura della materia e teoria dei "due fluidi" di Du Fay[1] [2] [3] e del "fluido unico" di Franklin; [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Definizione operativa delle cariche elettriche e delle masse nel caso specifico di corpi puntiformi;
Principio di conservazione della massa e della carica elettrica;
La costante dielettrica assoluta e e quella relativa e_r;
Gli esperimenti con le bilance a torsione unifilari di Cavendish e di Coulomb: misurazione indiretta di G e di e_o e validità della correlazione con l’inverso del quadrato;
Modelli antagonisti di tipo «azione a distanza-campo elettrico» e fluidi particellari elettrici "mono" e "bi-carica";
Il concetto di campo vettoriale di forza [1]e i campi stazionari di tipo gravitazionale H ed elettrico E [1] .La definizione operativa e formale del campo gravitazionale H ed elettrico E: analogie e differenze [1] ;
Le linee di forza del campo elettrico [1] [2]e gravitazionale;
Il ruolo del campo gravitazionale ed elettrico nei fenomeni gravitazionali ed elettrostatici [1];
Considerazioni energetiche associate ai campi: energia cinetica e potenziale gravitazionale ed elettrostatica: l’elettronvolt;
La deduzione della formula dell’energia potenziale gravitazionale ed elettrostatica;
L’energia potenziale, il potenziale [2] [1]e la relazione notevole campo-potenziale;

b) Conservatività e circuitazione del campo elettrico E;

Flusso del campo gravitazionale F_s(H) ed elettrico F_s(E) e Teorema di Gauss [1]limitatamente al caso di un sistema gravitazionale ed elettrostatico a simmetria sferica;
Campi vettoriali e superfici equipotenziali gravitazionali ed elettrostatici;
Circuitazione dei vettori campo gravitazionale C(H) ed elettrico C(E): diverse modalità di definizione della conservatività dei vettori «campo gravitazionale» e «campo elettrico» in condizioni di stazionarietà;

c) Moti di masse puntiformi e di cariche elettriche puntiformi nel campo gravitazionale ed elettrico;

Moto di un punto materiale e di una carica elettrica puntiforme in un campo gravitazionale ed elettrico: varie modalità, analogie e differenze;
L’esperimento di Millikan e la quantizzazione della carica elettrica; confronto fra le cariche del protone e dell'elettrone;
Capacità di un conduttore;
I condensatori elettrici [1]: aspetti circuitali ed energetici; capacità, costante dielettrica, densità di energia di un campo elettrico;
Collegamento di condensatori in serie e in parallelo: calcolo della capacità equivalente;
Condensatori piani, cilindrici [1], sferici: calcolo della capacità elettrica;
I condensatori elettrici [1]a dielettrico materiali: polarizzazione dei dielettrici;
Scarica di un condensatore [1] [2]: studio fisico della correlazione esponenziale I=f(t);

CIRCUITI ELETTRICI IN C.C.: 33 h

MODULO 2: corrente elettrica

Premessa didattica
Il tema verrà proposto nel contesto di un insegnamento non tradizionale a forte impronta empirica a causa dell'inadeguato successo scolastico incontrato negli anni precedenti. La nuova proposta metodologica, che ha incontrato molto successo negli ambienti tedeschi di didattica della fisica, prevede l'introduzione e lo sviluppo del tema "I circuiti elettrici" attraverso l'aspetto "sistemico" in quanto questa metododologia di indagine e di studio dei fenomeni elettrici permette meglio l'apprendimento dei concetti e delle idee del tema. La ragione di fondo di questa scelta è che l'«aspetto sistemico» rappresenta uno dei più importanti ed efficaci modelli di indagine che rende chiare le relazioni tra le grandezze fisiche in gioco. Inoltre, questa metodologia di indagine semplifica molto la comprensione dei fenomeni stessi e, soprattutto, evita l'assimilazione di una rappresentazione fisica piena di ambiguità e di errori che generalmente ostacolano il corretto apprendimento della fenomonologia in studio.
Un esempio della carenza di tutta la didattica tradizionale e "non sistemica" è che essa non pone adeguatamente l'accento sul fatto che ci si trova di fronte a due flussi associati ma distinti: uno di "cariche" e l'altro di "energia". Tra l'altro essa porta a non capire la differenza che esiste tra i concetti di "corrente elettrica" e di "energia elettrica" in maniera tale che lo studente confonde il "flusso di corrente" con il "flusso di energia", senza capire quale dei due flussi sia vincolato, all'interno del circuito, da una "legge di conservazione" e quale invece subisce una "trasformazione" e, quindi, abbandona il circuito.
L'aspetto sistemico, chiaramente, prevede un uso intensivo e privilegiato della sperimentazione in laboratorio con una forte impronta didattica volta a sollecitare atteggiamenti di indagine empirica svolta in prima persona e in gruppo dallo studente.

Scarica lenta di un condensatore [1] [2], [3]corrente elettrica stazionaria e intensità di corrente;
Analisi fisica di semplici circuiti elettrici in corrente continua: f.e.m., d.d.p., intensità di corrente elettrica, resistenza elettrica dei conduttori [1][2] [3], resistenza interna dei generatori, 1^a legge di Ohm [1] [2][3] [5] [4]e 2^a legge di Ohm; la misura degli errori [1];
Codice dei colori dei resistori elettrici [1] [2] [3];
Collegamento di resistenze in serie [1] [2] e in parallelo [1] e legge di Joule [1] relativa all'effetto termico della corrente elettrica;
Generatori elettrici [1];
Circuito con più generatori: espressione generale della legge di Ohm [1];
La corrente elettrica nei metalli e il meccanismo della conduzione: dipendenza della resistività dalla temperatura;
Reti elettriche: principi di Kirchhoff [1] [2];
Lavoro e potenza elettrica di una corrente continua;
Corrente elettrica nei liquidi e nei gas: dissociazione elettrolitica, leggi di Faraday e raggi catodici.

TEORIA DI MAXWELL: 33 h

MODULO 3: fenomeni magnetici costanti, lentamente e rapidamente variabili

a) Campo magnetico B generato da una corrente elettrica: esperimento di Oersted e nascita dell'Elettromagnetismo Classico;

Correnti elettriche in campi magnetici: effetto magnetico della corrente elettrica: l'esperimento di Oersted [1];
Linee di forza del campo magnetico [1];
Campo magnetico prodotto da una calamita[1] [2] [3]: esperienza della calamita spezzata;
Il campo magnetico vettoriale B e la forza magnetoelettrica esercitata su di una corrente elettrica;
La forza di Lorentz e il moto di una carica elettrica in un campo magnetico uniforme [1]:semplici applicazioni, come il ciclotrone e considerazioni energetiche sul diverso ruolo giocato dall'azione di un campo elettrico E e di un campo magnetico B su una carica elettrica in moto immersa in essi;
L'esperimento di J.J. Thomson e la misura della carica specifica e/m degli elettroni ;
Il ruolo di Faraday nella prima fase dello sviluppo delle conoscenze dei fenomeni elettrici e magnetici;
Campo magnetico B prodotto da semplici sistemi simmetrici, come fili rettilinei, spire e solenoidi molto lunghi: leggi di Biot e Savart;
Permeabilità magnetica assoluta u e relativa u_r;
Azioni elettrodinamiche fra correnti elettriche e definizione elettrodinamica dell'ampère;
Momento torcente di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente elettrica;

b) Solenoidalità e circuitazione del campo magnetico B;

Teorema della circuitazione di Ampere [1];
Flusso del campo magnetico Fs(B) e Teorema di Gauss nel caso magnetico;

c) Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica e la legge di Faraday-Neumann-Lenz: analisi quantitativa del fenomeno;

Esperienze di Faraday [1][2] [3] sulle correnti indotte [1] [2] [3] e altri casi di correnti indotte; legge di Lenz [1] [2];
Induttanza di un circuito e autoinduzione elettromagnetica; permeabilità, densità di energia di un campo magnetico;
Analisi fisica parallela tra campi elettrici, magnetici e gravitazionali: differenze ed analogie tra campo elettrico E, campo magnetico B e campo gravitazionale H : quale/i di essi è conservativo e/o solenoidale, e perché?
Corrente alternata [1], [2]resistori, induttori [1] e condensatori in circuiti a corrente alternata [1]; tensione e corrente, collegamenti in serie e parallelo, risonanza;
Semplici circuiti a corrente alternata;motore elettrico in c.c.[1];

d) Correnti e campi elettrici e magnetici rapidamente variabili;

EQUAZIONI DI MAXWELL E ONDE ELETTROMAGNETICHE

La corrente di spostamento e il campo elettromagnetico;
Produzione e propagazione delle onde elettromagnetiche: analisi fisica e aspetti qualitativi [1] [2];
Le equazioni di Maxwell [3] [1] [2] e il loro ruolo nella descrizione dei fenomeni dell'elettromagnetismo classico;
Il ruolo di Maxwell nella fase finale di sistemazione delle conoscenze dell'elettromagnetismo classico;
Onde elettromagnetiche e loro proprietà: caratteristiche fisiche delle onde elettromagnetiche [1];
Equazione di un'onda elettromagnetica piana sinusoidale;
Hertz e la rivelazione delle onde e.m.[1];
Energia elettromagnetica associata alla propagazione;
La luce e lo spettro elettromagnetico: classificazione delle onde elettromagnetiche.

PROBLEM SOLVING

[1] [2] [3] [4]

Si riporta di seguito il programma dei contenuti del corso in modo più dettagliato secondo la scansione modulare tipica del liceo Russell. Si ricorda che il libro di testo è il seguente: David Halliday-Robert Resnick-Jearl Walzer, Fondamenti di fisica. Elettromagnetismo, Bologna, Zanichelli, 1998.

Modulo n°1

CARICA ELETTRICA
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo della teoria del campo elettrico stazionario.
Durata	11 ore
Prerequisiti	Quelli dei moduli precedenti
Contenuti	Carica elettrica; Conduttori e isolanti; Legge di Coulomb; La carica è quantizzata; La carica si conserva.
Obiettivi	Conoscenze Fenomeni di elettrizzazione. Isolanti e conduttori. La carica elettrica. La legge di Coulomb. La carica è quantizzata e si conserva. Competenze Saper interpretare i fenomeni macroscopici legati all'elettrizzazione dei corpi. "Lettura" dell’interazione coulombiana in termini di parametri che la influenzano quantitativamente. Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Aula normale Aula di proiezione
Verifiche e valutazioni	Risoluzione di Problemi, interrogazioni

Modulo n.2

CAMPO ELETTRICO
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo della teoria del campo elettrico stazionario.
Durata	11 ore
Prerequisiti	Quelli dei moduli precedenti
Contenuti	Cariche e forze; Il campo elettrico; Linee di forza di un campo elettrico; Campo elettrico generato da una carica puntiforme; Campo elettrico generato da un dipolo elettrico; Campo elettrico generato da una carica lineare; Campo elettrico generato da un disco carico; Carica puntiforme in un campo elettrico; Dipolo in un campo elettrico;
Obiettivi	· Conoscenze Cariche e forze: il campo elettrico; Linee di forza di un campo elettrico; Campo creato da una carica puntiforme, da un dipolo e da un disco carico. · Competenze Saper interpretare i fenomeni del campo alla luce del concetto di campo; · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Aula normale Aula di proiezione
Verifiche e valutazioni	Risoluzione di problemi, interrogazioni

Modulo n.3

LEGGE DI GAUSS
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale alternativo alla legge di Coulomb Formalizzazione dei concetti inerenti al teorema di Gauss per il campo elettrico.
Durata	11 ore
Prerequisiti	Quelli dei moduli precedenti
Contenuti	Un nuovo sguardo alla legge di Coulomb; Flusso e flusso del campo elettrico; Legge di Gauss; Legge di Gauss e legge di Coulomb; Un conduttore carico isolato; Legge di Gauss: simmetria cilindrica; Legge di Gauss: simmetria piana; Legge di Gauss: simmetria sferica;
Obiettivi	· Conoscenze Flusso del campo, legge di Gauss nei casi di simmetria. · Competenze Saper interpretare i fenomeni del campo alla luce del teorema di Gauss. · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Aula normale Aula di proiezione
Verifiche e valutazioni	Risoluzione di problemi, interrogazioni

Modulo n.4

POTENZIALE ELETTROSTATICO
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo relativo agli aspetti energetici del campo elettrico
Durata	11 ore
Prerequisiti	Quelli dei moduli precedenti
Contenuti	Energia potenziale elettrica; Potenziale elettrico; Superfici equipotenziali; Potenziale dovuto a una carica puntiforme; Potenziale dovuto a un insieme di cariche puntiformi; Potenziale dovuto a un dipolo elettrico; Potenziale dovuto a una distribuzione continua di carica elettrica;; Come calcolare il campo elettrico dato il potenziale;
Obiettivi	· Conoscenze Energia potenziale elettrica; Potenziale elettrico; Superfici equipotenziali; Potenziale di un dipolo; · Competenze Saper interpretare i fenomeni relativi agli aspetti energetici del campo. · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Aula normale Aula di proiezione
Verifiche e valutazioni	Risoluzione di problemi, interrogazioni

Modulo n.5

CAPACITA’ ELETTRICA
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo della teoria dei condensatori;
Durata	11 ore
Prerequisiti	Quelli dei moduli precedenti
Contenuti	Condensatori e capacità; calcolo della capacità; Condensatori in serie e in parallelo; Energia immagazzinata da un condensatore; Condensatore in presenza di un dielettrico.
Obiettivi	· Conoscenze Calcolo di capacità; condensatori collegati in serie e in parallelo; · Competenze Saper interpretare i fenomeni relativi al collegamento di condensatori; · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Aula normale Aula di proiezione
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.6

CORRENTE E RESISTENZA
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo della teoria dei circuiti elettrici. Formalizzazione dei concetti inerenti alle leggi di Ohm
Durata	11 ore
Prerequisiti	Elettrostatica
Contenuti	Cariche in movimento e correnti elettriche; Corrente elettrica; Densità di corrente; Resistenza e resistività; 1° Legge di Ohm dal punto di vista fenomenologico e microscopico; Potenza nei circuiti elettrici; Esperimenti di fisica sui circuiti elettrici: Conferma empirica della 1 legge di Ohm;
Obiettivi	· Conoscenze Corrente elettrica, leggi di Ohm, resistenza elettrica, legge di Joule, potenza elettrica. · Competenze Saper interpretare i fenomeni macroscopici legati alla corrente elettrica. Uso del tester per eseguire misurazioni di differenze di potenziale, correnti elettriche e resistenze ohmiche. Studio e realizzazione di semplici circuiti elettrici contenenti resistenze. Uso delle convenzioni più comuni per la definizione dei versi delle correnti indotte e del moto delle particelle cariche all'interno del campo magnetico. · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.7

CIRCUITI ELETTRICI IN CORRENTE CONTINUA
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale introduttivo della teoria dei circuiti elettrici. Formalizzazione dei concetti inerenti alle leggi di Kirchhoff
Durata	11 ore
Prerequisiti	Elettrostatica
Contenuti	Lavoro, energia e fem; Calcolo della corrente nel circuito elementare; Circuiti a una maglia; Differenze di potenziale; Circuiti a più maglie; Amperometri e voltmetri; Esperimenti di fisica sui circuiti elettrici: Conferma empirica della 2 legge di Ohm;
Obiettivi	· Conoscenze Corrente elettrica, leggi di Ohm, resistenza elettrica, legge di Joule, principi di Kirchhoff, potenza elettrica. · Competenze Saper interpretare i fenomeni macroscopici legati alla corrente elettrica. Uso del tester per eseguire misurazioni di differenze di potenziale, correnti elettriche e resistenze ohmiche. Studio e realizzazione di semplici circuiti elettrici contenenti resistenze. Uso delle convenzioni più comuni per la definizione dei versi delle correnti indotte e del moto delle particelle cariche all'interno del campo magnetico. · Capacità Saper risolvere problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.8

MAGNETISMO
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale completo del magnetismo alla luce del concetto di campo magnetico
Durata	11ore
Prerequisiti	Gli obiettivi dei primi tre moduli: Il campo elettrico. Il potenziale elettrostatico. La corrente elettrica continua. Le leggi di Ohm.
Contenuti	Il campo magnetico. Definizione di B; Campi incrociati e scoperta dell’elettrone; Carica in moto circolare; Ciclotroni e sincrotroni; Forza magnetica agente su un filo percorso da corrente; Momento torcente su una spira percorsa da corrente; Dipolo magnetico.
Obiettivi	· Conoscenze Magneti naturali e artificiali. Fenomeni magnetici e fenomeni elettrici. Il campo magnetico · Competenze Comprensione del concetto di campo magnetico.. · Capacità Soluzione di semplici problemi relativi al moto di cariche elettriche in un campo elettrico e/o magnetico. Uso del tester per la misura di correnti e d.d.p. sia continue che alternate. Saper risolvere esercizi e problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.9

CAMPI MAGNETICI GENERATI DA CORRENTI
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale completo del magnetismo alla luce del concetto di campo magnetico
Durata	11 ore
Prerequisiti	Gli obiettivi del 1° modulo Il campo elettrico. Il potenziale elettrostatico. La corrente elettrica continua. Le leggi di Ohm.
Contenuti	Il campo magnetico; Definizione di B; Legge di Ampere; Solenoidi e toroidi; Conduttori paralleli; Forza magnetica agente su un filo percorso da corrente. Magneti e correnti elettriche. Il vettore induzione magnetica e la permeabilità magnetica.
Obiettivi	· Conoscenze Magneti naturali e artificiali. Fenomeni magnetici e fenomeni elettrici. Il campo magnetico · Competenze Comprensione del concetto di campo magnetico.. · Capacità Soluzione di semplici problemi relativi al moto di cariche elettriche in un campo elettrico e/o magnetico. Saper risolvere esercizi e problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.10

INDUZIONE E INDUTTANZA
Motivazione e finalità	Necessità di proporre il quadro concettuale del magnetismo alla luce del concetto di campo magnetico variabile
Durata	11 ore
Prerequisiti	Gli obiettivi dei moduli precedenti Il campo elettrico. Il potenziale elettrostatico. La corrente elettrica continua. Le leggi di Ohm.
Contenuti	Forza magnetica agente su un filo percorso da corrente. Il flusso magnetico.; Forza di Lorentz. Spira e solenoide Induzione e.m. Legge di Faraday - Neumann - Lenz. Autoinduzione e induttanza.; Energia del campo magnetico. Correnti sinusoidali.; Mutua induzione. Trasformatore. Trasporto e distribuzione dell'energia elettrica.
Obiettivi	· Conoscenze Magneti naturali e artificiali. Fenomeni magnetici e fenomeni elettrici. Il campo magnetico · Competenze Comprensione del concetto di induttanza e di fem indotta · Capacità Soluzione di semplici problemi relativi alle correnti elettriche variabili in un campo elettrico e/o magnetico. Saper risolvere esercizi e problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

Modulo n.11

LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Motivazione e finalità	Necessità di introdurre lo studio delle onde nella prospettiva di studiare successivamente le onde luminose e, quindi, quelle e.m.
Durata	11 ore
Prerequisiti	Conoscenza dei moduli precedenti
Contenuti	Teorema di Ampere. Legge di Biot e Savart. Circuitazione di B. Campo magnetico di una spira e di un solenoide. Interazioni tra correnti. Proprietà magnetiche della materia. Ciclo di isteresi. L'ipotesi di Maxwell. Le equazioni di Maxwell. Le onde elettromagnetiche.
Obiettivi	Conoscenze Distinguere i vari tipi di onda, comprese quelle acustiche e i parametri che li caratterizzano Determinare l’onda e.m. risultante dalla sovrapposizione di onde elementari Competenze Saper associare al concetto di onda la trasmissione di energia e.m. ma non di materia. Capacità Saper risolvere esercizi e problemi relativi al contenuto del modulo.
Spazi strumenti e strategie	Laboratorio di fisica Aula normale
Verifiche e valutazioni	Problemi, interrogazioni

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CARICA ELETTRICA

CAMPO ELETTRICO

LEGGE DI GAUSS

POTENZIALE ELETTROSTATICO

CAPACITA’ ELETTRICA

CORRENTE E RESISTENZA

Modulo n.7

CIRCUITI ELETTRICI IN CORRENTE CONTINUA

Modulo n.8

MAGNETISMO

CAMPI MAGNETICI GENERATI DA CORRENTI

INDUZIONE E INDUTTANZA

Modulo n.11