Il Programma di Fisica che è stato svolto nella classe 5^a B dell’indirizzo scientifico non ha esaurito gli argomenti previsti dal curricolo del Liceo in relazione all’Ipotesi di Sperimentazione del Triennio perché non è stato trattato l’ultimo tema del programma del corso che inerisce alla meccanica quantistica.

Il corso è stato dedicato all'elettromagnetismo classico di Maxwell, e si è concluso con l'esame dei più importanti fenomeni la cui interpretazione ha portato alla meccanica quantistica. I fenomeni elettromagnetici e le leggi che li governano sono stati ripercorsi anche nel loro sviluppo storico per convergere nella formulazione e nella discussione delle equazioni di Maxwell che hanno rappresentato l'obiettivo principale del corso. Dalla discussione delle equazioni di Maxwell si è proceduto allo studio delle onde elettromagnetiche e delle loro proprietà, con particolare accento alla propagazione delle onde e. m. nel visibile. Sono stati altresì discussi, sebbene in forma superficiale, i fenomeni di interferenza, diffrazione e polarizzazione della luce.

Come è noto la fisica del ‘900 ha radicalmente modificato le nostre concezioni sul reale e sulla conoscenza, influenzando profondamente gli altri saperi e collocandosi, nel pensiero del nostro secolo, in una posizione centrale analoga a quella assunta dal pensiero newtoniano e meccanicista nei secoli XVII  e XVIII. Purtroppo, per mancanza di tempo dovuta alle numerose e frequenti assenze fatte registrare dalla classe nel corso dell'intero anno, non è stato possibile sviluppare anche il tema relativo alla meccanica quantistica. Di conseguenza il programma di fisica svolto ha quasi sempre riguardato il paradigma della fisica classica e larga parte del lavoro svolto si è indirizzato allo studio dei fenomeni della conduzione dell'elettricità nei solidi e soprattutto dell'importante paradigma maxwelliano della teoria del campo elettromagnetico.

In questa prospettiva le categorie scientifiche più significative proposte agli allievi sono state le seguenti:

1.   il concetto di campo che ha permesso di mettere in evidenza il diverso quadro concettuale a   cui fanno riferimento le interazioni di tipo gravitazionale, elettrico e magnetico;

2.  i principi di conservazione che hanno costituito uno strumento essenziale per analizzare temi anche al di fuori della meccanica classica e la teoria dei circuiti elettrici in corrente continua;

3.  l’elettromagnetismo classico che ha trattato se non proprio in modo esauriente almeno in modo significativo le equazioni di Maxwell;

4.   lo studio dei meccanismi di conduzione dell'elettricità nei metalli dal solo punto di vista macroscopico.

Il corso è stato pertanto interamente dedicato all'elettromagnetismo classico, e si è concluso con l'esame dei più importanti fenomeni la cui interpretazione ha successivamente portato alla "meccanica quantistica".

I fenomeni elettromagnetici e le leggi che li governano sono stati ripercorsi anche nel loro sviluppo storico per convergere nella formulazione e nella discussione delle quattro equazioni di Maxwell.

Molto sinteticamente lo schema generale del corso è stato il seguente:

Campi elettrici stazionari - Studio dei fenomeni relativi alla presenza di condensatori - Correnti elettriche stazionarie e circuiti elettrici in c.c. - Campi magnetici stazionari - Proprietà elettriche e magnetiche della materia - Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo - Equazioni di Maxwell - Onde elettromagnetiche - Fenomeni di interazione radiazione materia.

Manuale del corso: David Halliday-Robert Resnick-Jearl Walzer, Fondamenti di fisica. Elettromagnetismo, Bologna, Zanichelli, 1998.

Il corso è consistito di lezioni teoriche ed attività di risoluzione di problemi. E' stato integrato da alcune esercitazioni di laboratorio che hanno avuto lo scopo di aiutare gli studenti a interagire con gli strumenti elettrici di misura più semplici e comuni. Altra caratteristica di queste lezioni è stata quella di procedere sia a misure di grandezze fisiche di tipo elettrico incontrate durante il corso, sia ad elaborare i dati presi durante le esercitazioni di gruppo in relazione a ipotesi di correlazione e a modelli fisici proposti, nella prospettiva della conferma o della falsificazione delle ipotesi fisiche formulate.

1. CARICA ELETTRICA E CAMPO ELETTRICO

Analisi dei fenomeni stazionari di tipo elettrostatico;

• Legge elettrostatica di Coulomb e analogie con la legge di interazione gravitazionale;

• La costante dielettrica assoluta e e quella relativa ε_r;

• L’esperimento con la bilancia a torsione unifilare di Coulomb: misurazione indiretta di k e validità della correlazione con l’inverso del quadrato;

• Carica elettrica q e quadro concettuale che promosse questo concetto;

• Modelli antagonisti di tipo azione a distanza-campo elettrico e fluidi particellari elettrici mono e bi-carica;

• Il concetto di campo vettoriale di forza e i campi gravitazionali g ed elettrici E. La definizione operativa e formale del campo gravitazionale g ed elettrico E: analogie e differenze;

• Il ruolo del campo gravitazionale ed elettrico nei fenomeni gravitazionali ed elettrostatici;

• Considerazioni energetiche associate ai campi: energia cinetica e potenziale elettrostatica;

• La deduzione della formula dell’energia potenziale elettrostatica;

• L’energia potenziale, il potenziale e la relazione notevole campo-potenziale;

Conservatività  e circuitazione del campo elettrico  E;

• Flusso del campo elettrico Φ_sc(E) e teorema di Gauss limitatamente al caso di un sistema elettrostatico a simmetria sferica;

• Campi vettoriali e superfici equipotenziali elettrostatici;

• Circuitazione dei vettori campo gravitazionale C(g) ed elettrico C(E): diverse modalità di definizione della conservatività dei vettori campo gravitazionale ed elettrico in condizioni di stazionarietà;

Moti di masse puntiformi e di cariche elettriche 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;

• I condensatori elettrici: aspetti circuitali ed energetici;

• Collegamento di condensatori in serie e in parallelo: calcolo della capacità equivalente;

2. CORRENTE ELETTRICA E CAMPO MAGNETICO

  Corrente elettrica stazionaria e intensità di corrente;

• Analisi  fisica di semplici circuiti elettrici in corrente continua:  f.e.m., d.d.p., resistenza elettrica dei conduttori, resistenza interna dei generatori e leggi di Ohm semplice e generalizzata;

• Collegamento  di resistenze in serie e in parallelo, principi di Kirchhoff  e legge di Joule relativa all'effetto termico della corrente elettrica;

• Lavoro e potenza elettrica di una corrente continua;

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;

• 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: 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;

• 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 μ e relativa μ_r;

• Azioni  elettrodinamiche fra correnti elettriche e definizione elettrodinamica  dell'ampère;                                                 

• Momento  torcente di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente  elettrica;

Solenoidalità e circuitazione del campo magnetico B;

• Teorema della circuitazione di Ampere;

• Flusso del campo magnetico Φ_sc(B ) e Teorema di Gauss nel caso magnetico;

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

• Esperienze di Faraday sulle correnti indotte e altri casi di correnti  indotte;

• Induttanza di un circuito e autoinduzione elettromagnetica; 

• Correnti alternate: circuiti RL, LC ed RLC;

• Analisi  fisica parallela tra campi elettrici, magnetici e  gravitazionali: differenze ed analogie tra campo elettrico E, campo magnetico B  e campo gravitazionale g: quale/i di essi è conservativo e/o solenoidale, e perchè?

3. EQUAZIONI DI MAXWELL E ONDE ELETTROMAGNETICHE.

Correnti e campi elettrici rapidamente variabili;

• La corrente di spostamento e il campo elettromagnetico;

• Produzione e propagazione delle onde e.m.:  analisi fisica e aspetti qualitativi;

• Le equazioni di Maxwell 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;

• Equazione di un'onda elettromagnetica piana sinusoidale;

• Evidenze sperimentali delle equazioni di Maxwell: Hertz e la rivelazione delle onde e.m.;

• La luce e lo spettro elettromagnetico:  classificazione delle onde e.m.

4. ESPERIMENTI DI LABORATORIO SVOLTI DURANTE L'ANNO SCOLASTICO.

• Costruzione di un modello classico della conduzione elettrica nei metalli, formulazione di una ipotesi di correlazione tra d.d.p. applicata e intensità di corrente elettrica misurata in un resistore (1ª legge di Ohm), conferma empirica della stessa e misurazione indiretta della resistenza elettrica R mediante il metodo volt-amperometrico;

• Controllo sperimentale della validità del modello classico della conduzione elettrica attraverso la conferma empirica della 2^a legge di Ohm e misurazione indiretta della resistività elettrica specifica di un conduttore;

• Ulteriore conferma sperimentale della validità del modello classico della conduzione elettrica nei metalli mediante controllo della adeguatezza del collegamento di resistenze in serie e in parallelo;

• Carica e scarica di un condensatore: studio fisico della curva di scarica e misurazione indiretta della capacità di un condensatore;

• Conferma empirica del fenomeno dell’induzione e.m. mediante diverse tipologie di variazione del flusso del campo magnetico.

  Roma, 11  Maggio 2001                                               L'insegnante di Fisica e Lab.

                                                                                            Prof. Vincenzo Calabrò