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Introduzione
UN OBIETTIVO O TANTI?
«La domanda di formazione culturale nella odierna società implica l'acquisizione
della capacità di usare concetti, individuare operazioni e procedimenti adeguati
per leggere, interpretare, comunicare e prevedere la realtà in tutti i suoi
aspetti e in questo si caratterizza l'educazione scientifica intesa come
atteggiamento scientifico e razionale verso la conoscenza.
Dalla metodologia della ricerca scientifica deriva una precisa metodologia
didattica: il metodo scientifico che procedendo per problemi, attraverso la
formulazione e scelta di ipotesi e il confronto con quelle della "scienza
ufficiale" porta il ragazzo a padroneggiare un tipo di procedura che lo mette in
grado di capire ed interpretare la realtà.
Si tratta di un itinerario che combina in sè il metodo induttivo e deduttivo, di
un percorso a spirale capace di sviluppare un processo conoscitivo che va dal
concreto al all'astratto, che dal molteplice reale conduce alla sistemazione
delle conoscenze.
In questo quadro l'astrazione, la sistemazione formale, non è una premessa, ma
un risultato che progressivamente si realizza e si sviluppa in un itinerario che
anche gli alunni devono percorrere. Ha dunque significato assumere il metodo
scientifico come obiettivo generale per l'insegnamento ed in particolare per
l'insegnamento delle scienze.»[1]
In questa prospettiva, lo scopo di questo lavoro è quello di tracciare un
itinerario significativo che fa pervenire alla legge fisica che regola un
fenomeno partendo da una serie di dati ottenuti come misure sperimentali di
laboratorio. Si può affermare, dunque, che se è vero che la ricerca sperimentale
di tipo 'induttivò è lo scopo dell'esercitazione in oggetto, altrettanto
significativo sembra essere l'intento volto ad evidenziare la natura empirica
della scienza fisica mediante l'uso consapevole del metodo sperimentale.
Da questo punto di vista si puòdichiarare che l'aspetto propositivo del lavoro
di indagine è quello che pone in essere la dialettica «problema-soluzione/ e i
complessi meccanismi che essa mette in moto, nella consapevolezza che la scienza
parte sempre da problemi e avanza sulla strada delle congetture e delle
successive conferme o smentite, procedendo sempre per tentativi ed errori [2].
Per non imbattersi, tuttavia, nel mito baconiano dell'induzione, come metodo «ingenuo/
assoluto di ricerca, è necessario privilegiare a piene mani l'attività teorica.
Con essa si introduce in maniera sostanziale l'attività inventiva, avanzando
ipotesi e prospettive di soluzione, anticipando congetture e sistemi di «azzardate
e temerarie/ affermazioni costituenti anticipazioni più o meno giustificate.
Sarà a questo punto l'esperimento ad ergersi a giudice e tribunale supremo della
validità, o meno, delle leggi ipotizzate, in quanto il riscontro con la realtà
rappresenta in definitiva l'esame finale che la legge deve superare per essere
catalogata come segmento conoscitivo della Fisica.
In questo lavoro vedremo quali sono le grandezze fisiche che determinano la
durata del periodo di oscillazione di un pendolo cosiddetto «semplice/ e con
quali procedimenti si misurano; quali sono le tecniche e i processi di
conduzione e di realizzazione di un esperimento di fisica in laboratorio; come
si perviene alla legge fisica che lega insieme le variabili che regolano il
fenomeno; come si analizzano i dati relativi a grandezze che variano
congiuntamente inducendo il problema della ricerca di un'eventuale dipendenza di
una delle grandezze rispetto alle altre; come si applica la teoria degli errori
nel concreto di casi ben precisi, non banali e fuori dalle nebulosità teoriche :
in particolare, come si determinano le incertezze assolute nelle misurazioni
indirette; quali sono, e in che consistono, i metodi di misurazione e le
caratteristiche fisiche degli strumenti di misura; come si disegna un grafico
sperimentale e quali sono le peculiarità che lo contraddistinguono da un
diagramma cartesiano avente valore esclusivamente matematico; come si passa dai
valori numerici tabulati in una tabella alla funzione matematica che li
rappresenta e, quindi, alla legge del fenomeno ; quali sono i limiti di validità
delle leggi empiriche e tante altre idee e applicazioni fondamentali che
attengono a questioni e implicazioni di laboratorio di significativa rilevanza
nel mondo della elaborazione dati.
Come è noto, la Fisica come scienza empirica che realizza il suo scopo
attraverso indagine diretta della realtà non deduce da principi a priori delle
leggi, ma le ottiene da concetti e idee che scaturiscono da una collaborazione
fra teoria ed esperimento. Vi è sempre la consapevolezza che in Fisica il fatto
empirico è legato all'utilizzazione del metodo sperimentale posto a fondamento
dell'attività di indagine per il sapere scientifico.
Nel nostro esperimento abbiamo un sistema dinamico in movimento - un pendolo
semplice - nel quale l'aspetto cinematico si realizza considerando le due
variabili fondamentali spazio e tempo, rispettivamente variabili dipendente e
indipendente, legate da una correlazione di tipo matematico-quantitativo che è
l'equazione oraria del fenomeno. Con questo sistema osserviamo la realtà così
come essa si manifesta agli occhi di un osservatore che la riproduce mediante un
modello teorico, in maniera tale da «costruire/ la legge del fenomeno.
La legge del fenomeno si ottiene mediante l'esperimento, il cui risultato è
costituito da una serie di dati numerici, costituiti da un certo numero di
cifre significative, espressi in opportune unità di misura, che necessitano di
ulteriori analisi e interpretazioni.
Il percorso utilizzato prevede una serie di attività teoriche e sperimentali che
permettano di passare dalla relazione espressa come tabella di dati alla
formulazione della funzione analitica che lega le variabili in gioco.
L'elaborazione dei dati raccolti e l'effettiva ricerca della relazione tra le
grandezze in gioco, a conferma dell'ipotesi fatta, senza trasformare
l'esperienza in una banale e acritica verifica di formule, costituisce
l'elemento caratterizzante di un insegnamento per problemi che è al giorno
d'oggi l'unico capace di motivare a fondo i giovani e di non violare la buona
regola della ricerca e il principio fondamentale della didattica cosiddetta 'formativà.
Questa metodologia di indagine e di ricerca scientifica che si basa sulla
osservazione di un esperimento fu introdotta, come è noto, da Galileo e forma a
tutt'oggi, con le opportune e necessarie 'risintonizzazionì dovute alla critica
epistemologica, l'ossatura centrale del metodo sperimentale moderno.
Come è stato ampiamente riconosciuto, Galileo segnò l'inizio della scienza
moderna. Il nucleo centrale della ricerca galileiana è antitetico alla tesi
tradizionale sostenuta per lo più da argomentazioni di carattere verbale e
basate sull'esperienza comune. Galileo contrappose a questa logica aristotelica
i risultati ottenuti da esperimenti, in cui si isola un particolare fenomeno e
lo si studia nella sua configurazione fisico-matematica.
Con Galileo si ha un capovolgimento di prospettiva. E questo «non già, come
spesso si afferma, per il fatto che egli condusse praticamente a perfezione il
metodo sperimentale e lo integrò con l'essenziale componente matematica, in modo
da ottenere un adeguato 'metodo scientificò (cosa pure di enorme peso), ma per
la ragione assai più importante, e veramente decisiva, di avere compreso che una
più adeguata conoscenza della natura non si poteva ottenere semplicemente
cambiando filosofia, ma ricorrendo ad una ricerca d'altro 'tipo', ossia ad
un'indagine "non filosofica"» [3].
Il procedere del metodo galileiano è così rappresentato dalla conferma di
un'ipotesi mediante un esperimento in cui si considerano solo quegli elementi
che sono misurabili .
Tuttavia, il fenomeno da studiare è quasi sempre molto complesso, per cui è
necessario procedere per gradi, cominciando a costruire un modello semplificato
della realtà secondo lo schema precedentemente presentato.
Nel nostro caso il modello in esame è il modello di un oscillatore armonico
perfetto o ideale, costituito da un punto materiale oscillante intorno ad una
posizione di equilibrio chiamato 'pendolo semplicè, per mezzo del quale sarà
possibile, come vedremo, fornire una descrizione molto ricca e articolata dei
fenomeni in questione.
[1] D.ZANGIROLAMI, Imparare la fisica facendo ... i fisici, da «La Fisica nella scuola», Anno XXI n.1, Gennaio-Marzo 1988, pg.34;
[2] M.BALDINI, Teoria e storia della scienza, ROMA, Armando, 1975, p.16;
[3]
E.AGAZZI, Temi e problemi di Filosofia della Fisica, ROMA, Abete, 1974,
p.9;