Unità didattica
Titolo
La Luna: tra fisica e mito
Sottotitolo
Alla scoperta del nostro satellite: dalla gravitazione classica agli effetti lunari, tra realtà e mito.
Motivazioni generali
La Luna è il corpo celeste più facilmente osservabile e fin dall'antichità ha interessato e incuriosito il genere umano. Proprio questo senso di curiosità nei confronti del nostro satellite può fungere da trampolino di lancio per un percorso di ricerca che voglia approfondire i principali fenomeni fisici che lo riguardano. La maturazione di uno spirito scientifico e critico riguardo un tema così familiare porta a mettere in discussione i presunti influssi lunari sulla Terra, arrivando a distinguere tra effetti scientificamente spiegabili e superstizioni legate ad antiche credenze magiche.
L'argomento "Luna" è quindi adatto a sviluppare da un lato conoscenze e competenze fisiche, dall'altro può fornire strumenti per la crescita di un atteggiamento razionale e critico.
Contenuti
L'unità didattica si divide in quattro temi principali.
Astronomia
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caratteristiche fisiche e orbitali della Luna: la formazione, parametri fisici e orbitali, le fasi lunari, le eclissi solari e lunari;
Teoria gravitazionale
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momento angolare e conservazione;
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campi di forze, in particolare quelli centrali;
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le tre leggi di Keplero, la legge di gravitazione universale, orbite possibili in campo gravitazionale, la caduta libera;
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massa inerziale e gravitazionale, principio di equivalenza (debole);
Sistemi a due corpi:
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l'orbita della Luna;
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centro di massa e moto relativo;
Effetti della Luna sulla Terra:
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le maree;
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influssi reali e miti: il confine tra ciò che è scientifico e ciò che non lo è.
Livello di istruzione coinvolto
Scuola superiore di secodo grado, secondo biennio. La struttura di questo percorso didattico è più indicata a un liceo scientifico, in quanto gli argomenti sono trattati in modo piuttosto specifico e richiedono diverse ore di lezione. Ciò non toglie che, mutatis mutandis, le stesse tematiche possano essere riproposte in maniera più superficiale per altri indirizzi scolastici.
Collocazione dell'unità
Queste tematiche si possono ben collocate al terzo anno di liceo, dopo aver affrontato cinematica e meccanica newtoniana. Sarebbe auspicabile una collaborazione con docenti di altre discipline, in particolare di matematica e storia e filosofia, per affrontare in parallelo i temi delle sezioni coniche e quello della rivoluzione scientifica del 1600. Per questo motivo è possibile posticipare la realizzazione di questa unità didattica in base alle esigenze del caso.
Durata dell'unità
22 ore totali, distriuite in 8 settimane. Nello specifico 12 ore sono dedicate all'approfondimento degli argomenti in classe, 6 ore per svolgere attività di laboratorio, 4 ore per esercizi e verifica.
Calendario delle attività
Supponendo di avere a disposizione tre ore di fisica settimanali, di cui due al mercoledì e una al sabato, il calendario delle attività potrebbe indicativamente essere il seguente:
[sono orientitativamente indicate anche possibili lezioni di altre materie, che potrebbero essere anche facoltative(*) o extracurricolari]
Prima settimana
Astronomia
Storia* (2h) - Breve storia dell'esplorazione spaziale, con particolare rilievo alle missioni lunari.
22 ottobre (2h) - La Luna: caratteristiche fisiche e orbitali, fasi lunari, eclissi.
25 ottobre (1h) - Laboratorio di astronomia: misura del diametro della Luna.
Seconda settimana
Leggi di Keplero
Scienze della Terra (2h) - I modelli cosmologici di Tolomeo e Copernico.
29 ottobre (2h) - Introduzione alla gravitazione, l'ellisse e il metodo del giardiniere, prima legge di Keplero, momento angolare e conservazione.
1 novembre - VACANZA
Terza settimana
Leggi di Keplero e gravitazione
Storia (2h) - La rivoluzione scientifica del 1600: Galileo e Newton. I progressi in campo astronomico.
5 novembre (2h) - Campi di forze, seconda e terza legge di keplero. Laboratorio: scoperta della terza legge di Keplero.
8 novembre (1h) - Legge di gravitazione universale tramite la sintesi newtoniana, campo gravitazionale, in particolare quello lunare.
Quarta settimana
Gravitazione
Matematica (2h) - Introduzione alle sezioni coniche.
12 novembre (2h) - Orbite possibili in campo gravitazionale (cenni), corpi in caduta libera. Esercizi in classe: correzione e soluzione dei quesiti più difficili proposti.
15 novembre (1h) - Massa inerziale e gravitazionale, principio di equivalenza (debole), caduta dei gravi.
Quinta settimana
Massa gravitazionale
Filosofia (2h) - Epistemologia: tra realismo e strumentalismo. Il dibattito filosofico sulla scelta del modello cosmologico più "giusto".
19 novembre (2h) - Laboratorio: proporzionalità tra massa inerziale e gravitazionale.
22 novembre (1h) - Aula PC: utilizzo di applet per la visualizzazione delle leggi di keplero e discussione. Visione del video "Gravitazione universale" (PSSC).
Sesta settimana
Problema dei due corpi
26 novembre (2h) - Laboratorio: caduta libera di una bottiglia forata. Introduzione ai problemi dei due corpi, centro di massa, seconda legge di Newton per un sistema di particelle.
29 novembre (1h) - Moto relativo nel sistema Terra-Luna. Esercizi in classe: correzione e soluzione dei quesiti proposti per casa.
Settima Settimana
Gli influssi della Luna
3 dicembre (2h) - Gli effetti della Luna sulla Terra: le maree, l'allontanamento della Luna dalla Terra. L'esperimento Lunar Laser Ranging (cenni).
6 dicembre (1h) - Influssi lunari: tra realtà e mito.
Ottava settimana
Conclusione dell'attività
10 dicembre (2h) - Verifica finale.
Prerequisiti disciplinari
Per affrontare le tematiche di questa unità didattica si presuppone che lo studente abbia già affrontato i seguenti argomenti:
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Cinematica: moto rettilineo e circolare, uniforme e accelerato. L'accelerazione centripeta.
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Dinamica: il concetto di forza, le leggi di Newton, la forza centripeta, la forza peso. La massa inerziale. Molle e moto armonico.
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Relatività: relatività galileiana, sistemi di riferimento inerziali e non inerziali.
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Strumenti matematici: vettori, prodotto scalare e vettoriale, il logaritmo, numeri in notazione scientifica.
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Momento delle forze.
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Astronomia: periodo di rotazione e rivoluzione, periodo sinodico e sidereo.
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Attività di laboratorio: cifre significative e calcolo degli errori.
Autovalutazione e valutazione
Nel corso di quest'isola tematica saranno forniti agli studenti numerosi quesiti, a risposta multipla, aperta o sottoforma di esercizi. Essi sono proposti a diversi livelli di difficoltà, da una semplice verifica delle nozioni acquisite ("Verifica delle conoscenze") a problemi che richiedono l'elaborazione e l'applicazione di quanto appreso ("Verifica delle competenze"). Alcuni compiti sono lasciati come spunto e si presuppone che vengano poi affrontati in classe insieme all'insegnante. Per questo motivo è stato riservato del tempo in classe per gli esercizi.
Al termine del percorso verrà sottoposto agli studenti un test di verifica scritta della durata di due ore, con domande a risposta multipla ed esercizi.