Appunti preparazione esame fisica

Esistono 3 dimensioni del capire

Dimensione disciplinare/conoscitiva

I bambini già possiedono schemi interpretativi, idee e concezioni personali su molte situazioni fisiche. Sono modelli costruiti sulla base dell'osservazione, l'esperienza e l'interpretazione di questa: sono strutture esplicative elementari costruite per astrazione e generalizzazione, chiamate primitive fenomenologiche (p-primis), che possono essere scelte e utilizzate secondo la situazione, a volte anche usate in contesti non appropriati, cioè diversi da quelli in cui sono state costruite.

Tipiche forme di ragionamento del pensiero comune sono la focalizzazione su aspetti limitati e sulle caratteristiche salienti di oggetti e fenomeni, interpretazione di fenomeni in termini di proprietà o qualità attribuite agli oggetti più che all'interazione tra essi, attenzione ai cambiamenti più che alle situazioni stazionarie, ragionamento causale lineare per cui una causa produce un effetto in modo sequenziale trascurando la reciprocità delle interazioni.

Si sottolinea l'importanza, nel processo di apprendimento, di ciò che l'allievo già conosce.

Dimensione epistemologico/culturale

La conoscenza sulla disciplina si trasforma in cultura scientifica. Porre attenzione più alla domanda che alla risposta, conoscere il contesto del problema, trovare connessioni tra la fisica e altri ambiti culturali.

Dimensione personale cognitiva

Riflettere perché quelle determinate conoscenze debbano essere tramandate da una generazione all'altra, riconoscere la peculiarità delle strategie in fisica. La didattica della fisica nasce negli anni '50/'60 in America.

Operazioni da fare davanti a un oggetto o fenomeno

• Individuare → Far emergere un'unità significativa da uno sfondo, identificare una caratteristica.
• Riconoscere → Accorgersi che l'elemento individuato è come tanti altri di cui si ha avuto esperienza.
• Fare uno schema → Confrontarlo con la realtà.
• Selezionare → Discretizzazione.

Definizioni di sistema, classe e variabile

Un sistema è un insieme formato da parti disposte (sub-sistemi) e correlate secondo un ordine definito, gerarchizzato, coordinato, relazionale, in cui i singoli elementi sono legati tra loro da relazioni che variano nel tempo (es. acqua che bolle in una pentola, un batterio in una coltura); è possibile individuare una specificità del sistema.

Una classe è costituita in base a uno schema che può essere visto identico per ciascuno degli individui che compongono la classe (es. oggetto solido).

Una variabile è un elemento che deve essere valutato nel sistema, mentre può non essere essenziale all'operazione cognitiva di schematizzazione con cui si definisce una classe (es. peso, dimensioni, temperatura). Pensare per variabili porta l'individuo a considerare come consustanziali all'oggetto modi di essere delle cose. Inoltre, i nomi delle variabili corrispondono a nostre capacità di notare differenze e cambiamenti sviluppati a partire dall'esperienza.

Per riconoscere le variabili bisogna saper trovare regole per i loro andamenti e i loro modi di variare, operare confronti.

Variabili estensive e intensive

Le variabili estensive sono quelle associate a quantità, quindi peso, lunghezza, volume, costo, il cui valore cresce proporzionalmente al crescere del sistema (altri es. massa, energia, area, quantità di calore: sono grandezze che si possono sommare).

Le variabili intensive sono quelle associate a qualità, quindi dolcezza, temperatura, prezzo specifico, peso e volume specifico, il cui valore non dipende proporzionalmente dal crescere del sistema (es. densità, pressione, calore specifico, concentrazione).

La temperatura

La temperatura è una grandezza definita dal suo strumento di misura definito, a sua volta, dalla grandezza stessa. Un cilindro è posto su un tavolo di legno, la temperatura dei due oggetti sarà uguale, ma io percepirò come più freddo il cilindro perché il metallo è un conduttore di calore (sia freddo che caldo) più efficace. La conduzione termica di un oggetto non è la sua temperatura: non sono concetti equivalenti. Un corpo, se riceve energia sotto forma di calore, può cambiare temperatura, ma non è necessario. Può esserci un passaggio di stato.

L'ambiente influenza alcune proprietà degli oggetti e dei materiali che si trovano nell'ambiente stesso ed esiste una tendenza dei corpi a raggiungere uno stato di equilibrio con l'ambiente, ossia uno stato in cui le proprietà del corpo non cambiano più. Due sistemi in equilibrio con un terzo sistema sono anche in equilibrio tra di loro.

Un sistema si dice in equilibrio quando è in una situazione di stasi e ciò riguarda non solo il suo movimento, ma anche i possibili cambiamenti interni ed esterni che può subire, come pressione, volume, temperatura. È in equilibrio se le variabili non variano o se una variazione è possibile solo se intervengono modifiche all'ambiente in cui è posto il sistema.

Tutti i sistemi fisici hanno una proprietà che assume lo stesso valore quando si trovano in condizioni di equilibrio tra loro: la temperatura. È la grandezza definita con lo scopo di individuare l'equilibrio termico tra due o più corpi. La sua unità di misura è il kelvin; fornisce la misura dello stato termico di un corpo e, di conseguenza, fornisce informazioni sulla capacità del corpo di scambiare calore con altri corpi o con l'ambiente. È una proprietà che assume lo stesso valore quando i corpi si trovano in condizioni di equilibrio tra loro. Altre definizioni: indica il valore medio tra i valori di energia cinetica di ciascuna molecola a livello microscopico; è il livello di energia presente in un sistema. T_kelvin = T_celsius + 273,15; T_celsius = T_kelvin - 273,15.

Termometro

È un sistema che ha una proprietà influenzabile dall'ambiente e osservabile. La temperatura è una variabile di stato e non di processo ed è una variabile intensiva, quindi la temperatura finale di tanti oggetti non sarà data dalla somma delle singole temperature, ma dalla media. Per costruire un termometro, dobbiamo trasformare la variabile temperatura da intensiva a estensiva (misurabile in maniera diretta). La variabile intensiva non si può realmente misurare, ma esistono strategie per assegnare numeri a queste variabili creando scale (per toni di colore, per toni musicali, per durezza dei materiali); il termometro misura la temperatura e le sue variazioni.

Il termometro ambientale ha una scala che va da -15° a 150°, misura la temperatura dell'ambiente e degli oggetti, la temperatura indicata nel tubicino cambia a seconda di dove è poggiato. Per abbassare la temperatura bisogna metterlo a contatto con un oggetto a temperatura più bassa e non serve scuoterlo. Il termometro clinico serve per misurare la temperatura corporea, ha una scala che va da 35° a 42°, rimane fisso sulla temperatura massima e bisogna scuoterlo per riportarlo alla temperatura minima.

Gli oggetti presenti in una stanza si troveranno alla stessa temperatura della stanza tranne quelli che sono dei termostati, quindi producono calore, come un bambino che riposa, una lampada accesa, un gatto. Un sistema termodinamico è un sistema per il quale è possibile definire la sua temperatura, ossia è un sistema macroscopico il cui stato interno è influenzabile dall'ambiente (es. acqua che bolle in una pentola, termosifone che disperde calore, pila, pulcino); esiste un processo di interazione tra due oggetti che implica il passaggio di calore da un corpo a temperatura più alta a uno con temperatura più fredda. Il corpo umano non è un buon termometro, è più che altro un termostato, cioè sensibile ai trasferimenti di calore.

Conducibilità termica

È la proprietà tipica di ciascun materiale che conduce o isola il materiale stesso in modo peculiare; è diversa dalla temperatura; è la capacità del materiale di condurre calore senza dispersioni termiche.

Il concetto di calore

Il calore è la grandezza definita come una forma di energia e, in particolare, come energia scambiata tra due sistemi tra cui sussiste una differenza di temperatura. È una variabile estensiva, quindi associata a quantità che è possibile sommare; non è una sostanza che si trasferisce da un corpo all'altro e non è un concetto relativo alla nostra percezione di caldo e freddo, è una forma di energia, chiamata energia termica. Il calore è una modalità di trasferimento di energia che si innesca quando c'è una differenza di temperatura, è una variabile di processo, non di stato; non si trasmette per conduzione, convezione e, soprattutto, irraggiamento. Il calore radiante non è calore; si misura in Joule.

Legge della termologia o calorimetria o del calore

Q = c × m × Δt

Calore specifico, è la caratteristica che tutti gli oggetti hanno e che dipende dal loro materiale; unità di misura J / kg × K, m: massa, unità di misura kg, Δt: intervallo/differenza di temperatura, condizione necessaria affinché ci sia uno scambio di energia in modalità calore; l'unità di misura è in joule - J; c = Q / Δt, m = Q / c × Δt.

Il calore specifico - c è la grandezza che esprime quanto calore è necessario fornire a 1 kg della sostanza per innalzare la sua temperatura di 1°; è il calore che un materiale riesce ad assorbire a parità di massa, equivale a calore / massa e si misura in Kcal / Kg, dipende dal materiale. Un tavolo di metallo non è più freddo di un tavolo di legno, dipende se la loro temperatura è inferiore a quella della pelle che li tocca → concetto di dispersione termica: il metallo disperde più calore del legno. Quando si prende una bottiglia dal frigo è falso che la mano si raffredda e la bottiglia si surriscalda.

Chiou e Anderson hanno dimostrato che le concezioni comuni sul calore si sviluppano attraverso 4 modelli di cui i primi 3 errati:

• Calore come proprietà intrinseca di una sostanza.
• Caldo e freddo come sostanze materiali che possono spostarsi da un oggetto ad un altro.
• Calore come entità (flusso calorico) che si propaga da oggetti a temperatura più alta a oggetti a temperatura più bassa.
• Calore come trasferimento di energia dovuto a una differenza di temperatura.

Un materiale isolante impedisce o inibisce lo scambio di calore, quindi è un cattivo conduttore di calore.

Capacità termica

La capacità termica - C, corrisponde al calore necessario per innalzare o diminuire la temperatura di 1° tutto il corpo considerato, non per unità di massa, è il rapporto tra l'energia che acquista una sostanza e l'aumento di temperatura; è indipendente dal materiale degli oggetti. C = m × c; C = Q / ΔT = ΔE / ΔT, c = C / m = Q / ΔT × m, Q (calore) = C × ΔT; unità di misura Joule/Kelvin. Un oggetto ha calore specifico 2 × 5 kg; se un altro ha calore specifico 1, devo prenderne 10 kg per ottenere la stessa capacità termica, quindi raggiungere la stessa temperatura di equilibrio.

Equilibrio termico

• Te = (T₂ + T₁) / 2 → se m₁ = m₂ e c₁ = c₂.
• Te = (m₁ × T₁ + m₂ × T₂) / (m₁ + m₂) → se m₁ è diverso da m₂ e c₁ = c₂.
• Te = (c₁ × T₁ + c₂ × T₂) / (c₁ + c₂) → se m₁ = m₂ e c₁ è diverso da c₂.
• Te = (c₁ × m₁ × T₁ + c₂ × m₂ × T₂) / (c₁ × m₁ + c₂ × m₂) → se m₁ è diverso da m₂ e c₁ è diverso da c₂.

Passaggio di stato

Il passaggio da solido a liquido è la fusione (solidificazione il contrario), da liquido a gas è vaporizzazione (condensazione il contrario), da solido a gas è sublimazione (brinamento il contrario). Il passaggio di stato avviene a temperatura costante.

Calore latente

Il calore latente - L, corrisponde alla quantità di energia scambiata necessaria affinché avvenga un passaggio di stato → L = Q / m, unità di misura J / Kg.

Propagazione del calore

Il calore si propaga per conduzione quando si trasmette da un corpo solido a un altro posti a temperatura diversa e a contatto tra loro, si propaga per convezione quando un fluido liquido o gassoso trasporta il calore, si propaga per radiazione quando le onde elettromagnetiche trasportano il calore.

Formula di passaggio di calore per conduzione

Q = λ × S × Δt / d, cioè 1 / ΔT → λ è la conducibilità termica e dipende dal materiale, S la superficie o area dell'oggetto, d lo spessore dell'oggetto, Δ.