Fondamenti di fisica

Prefazione per il Docente

La versione originale del presente testo è stata pubblicata per la prima volta negli Stati Uniti nel 2006, con il titolo College Physics: A Strategic Approach. Gli Autori intendevano proporre un nuovo approccio nello studio della fisica per gli studenti di scienze biologiche, architettura, scienze naturali e altre discipline. Essendo il primo libro basato su una ricerca pratica di come gli studenti possano apprendere la fisica in modo più efficace, ha riscosso rapidamente un grande apprezzamento sia da parte dei docenti sia da parte degli studenti americani. Per la seconda edizione e per l’attuale terza edizione, ora tradotta in Italia con il titolo Fondamenti di fisica: un approccio strategico, gli autori hanno continuato a basarsi sulle tecniche derivanti dalla ricerca in ambito didattico utilizzate nella prima edizione e sul feedback di migliaia di utenti al fine di favorire ulteriormente l’apprendimento della fisica da parte degli studenti.

Obiettivi

Gli obiettivi che hanno ispirato gli Autori di Fondamenti di fisica: un approccio strategico sono stati:

• Fornire agli studenti un libro di testo che fosse maneggevole per dimensioni, meno enciclopedico nello stile e appositamente studiato per favorire l’apprendimento.
• Integrare nel corso tecniche avvalorate dalla ricerca nella didattica della fisica in un modo che potesse adattarsi a diversi stili di insegnamento e di apprendimento.
• Aiutare gli studenti a sviluppare sia abilità di ragionamento quantitativo, sia una solida comprensione dei concetti, con una particolare attenzione ai concetti ritenuti più ostici da un punto di vista dell’apprendimento.
• Aiutare gli studenti a sviluppare abilità di problem-solving e ad acquisire progressivamente sicurezza utilizzando strategie e tattiche esplicite e coerenti.
• Motivare gli studenti a integrare esempi concreti, pertinenti per le loro discipline, in particolare dalla biologia, dallo sport, dalla medicina, dal mondo animale e dall’esperienza quotidiana.
• Utilizzare tecniche di istruzione visiva e disegno di comprovata efficacia da un punto di vista della ricerca didattica e della psicologia cognitiva al fine di migliorare l’apprendimento dello studente e la capacità di ricordare i concetti in armonia con diversi stili di approccio allo studio.

Le novità della presente edizione

Nella revisione del testo per questa terza edizione, gli Autori hanno riconfermato il loro approccio incentrato sugli studenti e sulle loro modalità di apprendimento, utilizzando il feedback di un ampio numero di docenti e studenti, compreso il panel consultivo di studenti, al fine di migliorare il testo, i diagrammi e i problemi alla fine dei capitoli. I cambiamenti apportati sono i seguenti:

• Anteprime capitoli più mirate, il cui scopo è quello di fornire una breve anteprima visiva e non tecnica, che aiuta gli studenti a organizzare il proprio pensiero e a migliorare la loro comprensione dei contenuti del capitolo.
• Nuovi riquadri di Sintesi che riassumono concetti, principi ed equazioni chiave al fine di evidenziare collegamenti e differenze.
• Nuove figure esplicative incoraggiano gli studenti a cimentarsi attivamente con figure chiave o complesse e a ragionare tramite le Pause di riflessione e le relative domande.
• Un maggior numero di Pause di riflessione con relative domande permette agli studenti di affrontare gli argomenti fondamentali in modo pratico nel corso dei capitoli.
• Nuovi Flashback per incoraggiare gli studenti a ripassare argomenti importanti dei capitoli precedenti.
• Nuovi riquadri relativi alle Strategie di risoluzione dei problemi forniscono agli studenti la “visione d’insieme” della strategia prima di affrontare i dettagli, così come le anteprime dei capitoli forniscono la “visione d’insieme” del capitolo.
• Un testo snello, corredato da figure più chiare, consente una migliore focalizzazione dell’argomento e corrisponde maggiormente alle esigenze degli studenti. Gli Autori hanno selezionato accuratamente ogni diagramma, didascalia, spiegazione e fotografia per migliorarne la chiarezza e focalizzarne il ruolo.
• Un maggiore utilizzo di equazioni commentate che aiutano gli studenti a decifrare il loro significato e quali siano le variabili e le unità.
• Una maggiore enfasi su pensiero critico e ragionamento. Gli esempi accuratamente selezionati e i problemi posti alla fine dei capitoli promuovono queste abilità.
• Un maggiore utilizzo di dati reali permette agli studenti di attribuire un significato alle risposte che sono ancorate al mondo reale. Gli esempi e i problemi proposti utilizzano cifre e dati reali e sollecitano diversi tipi di ragionamento attraverso equazioni, proporzioni e grafici.
• Problemi di fine capitolo migliorati, grazie, in particolare, agli input del panel consultivo, a un rigoroso processo di blind solving e ad accurati controlli, nonché a una maggiore chiarezza, utilità e varietà. Sono stati aggiunti problemi basati sul mondo reale e situazioni di carattere biomedico e problemi che ampliano la gamma delle capacità di ragionamento di cui gli studenti hanno bisogno per ricercare le soluzioni.

Gli Autori hanno inoltre apportato diverse piccole migliorie al testo, fornendo maggiori spiegazioni per i concetti più complessi e riordinando e riorganizzando il materiale in modo che ogni sezione e ogni capitolo risultassero più chiari negli intenti. Le variazioni più significative sono le seguenti:

• La trattazione del moto circolare nei Capitoli 3, 6 e 7 è stata riorganizzata per una più naturale progressione degli argomenti. L’accelerazione nel moto circolare è ora introdotta nel Capitolo 3, la frequenza e il periodo sono trattati nel Capitolo 6, mentre la posizione angolare e la velocità angolare sono ora affrontate nel Capitolo 7. Il moto circolare descritto nel Capitolo 3 evidenzia l’uso di vettori per comprendere la natura dell’accelerazione centripeta. Nel Capitolo 6, il focus è sulla dinamica, mentre nel Capitolo 7, estendiamo queste idee al moto rotazionale.
• La trattazione della legge della conservazione dell’energia nella Sezione 10.6 è stata aggiornata per fornire un flusso più logico e coerente dalla forma più generale della legge verso versioni più specifiche per sistemi isolati e quindi per sistemi dotati di sola energia meccanica.
• Il materiale nel Capitolo 11 che espone la connessione da un punto di vista microscopico tra l’energia termica e la temperatura di un gas ideale è stato spostato al Capitolo 12, dove è maggiormente pertinente con il modello di un gas ideale presentato in questo capitolo.
• Gli argomenti minori che sono stati rimossi a beneficio di una linea espositiva più lineare comprendono le linee antinodali per le onde sonore nel Capitolo 16, la massima intensità delle frange brillanti di un reticolo di diffrazione nel Capitolo 17, l’esposizione nel Capitolo 19 e i grafici di elevazione nel Capitolo 21.
• L’inizio del Capitolo 21 è stato rivisto per chiarire l’origine dell’energia potenziale elettrica effettuando un collegamento più concreto tra energia potenziale elettrica ed energie potenziali più familiari, come l’energia potenziale elastica e gravitazionale.
• La trattazione delle onde elettromagnetiche nel Capitolo 25 è stata semplificata per un maggiore focus sulla natura delle onde, sul significato di polarizzazione e sull’applicazione di queste idee a situazioni del mondo reale.

Organizzazione del libro

Fondamenti di fisica: un approccio strategico, edizione italiana della terza edizione di College Physics: A Strategic Approach, è suddiviso in 26 capitoli. Il libro è organizzato in sei parti: Parte I: Forza e Moto, Parte II: Leggi di conservazione, Parte III: Proprietà della materia, Parte IV: Oscillazioni e onde, Parte V: Ottica, Parte VI: Elettricità e magnetismo. La Parte I è dedicata alle leggi di Newton e alle loro applicazioni. Lo studio delle due principali leggi di conservazione, quantità di moto ed energia, viene affrontato nella Parte II, per due ragioni. In primo luogo, il modo in cui i problemi vengono risolti usando le leggi di conservazione — confrontando il prima e il dopo delle situazioni analizzate — differisce in modo sostanziale dalle strategie di risoluzione dei problemi utilizzate nelle dinamiche Newtoniane. In secondo luogo, il concetto di energia ha un significato che va oltre le energie meccaniche (cinetica e potenziale). In particolare, l’idea chiave della termodinamica è l’energia e il passaggio dallo studio dell’energia nella Parte II a quello della termodinamica nella Parte III permette uno sviluppo senza interruzione di questo importante concetto. Lo studio dell’ottica (Parte V) viene affrontato direttamente dopo le oscillazioni e le onde (Parte IV), ma prima dell’elettricità e del magnetismo (Parte VI). Inoltre, affrontiamo lo studio dell’ottica ondulatoria prima dello studio dell’ottica geometrica. Le motivazioni alla base di questa organizzazione sono duplici. In primo luogo, l’ottica ondulatoria è ampiamente un’estensione delle idee generali delle onde; in un’organizzazione più tradizionale, prima che gli studenti arrivino ad affrontare lo studio dell’ottica ondulatoria avranno già dimenticato larga parte di ciò che avevano appreso sulle onde. In secondo luogo, nel modo in cui l’ottica viene presentata nella fisica introduttiva non si fa uso dei campi elettromagnetici. Le difficoltà documentate che gli studenti incontrano nello studio dell’ottica sono difficoltà legate allo studio delle onde, non allo studio dell’elettricità e del magnetismo. Non ci sono particolari ragioni, se non quelle legate alla tradizione didattica, per ritardare lo studio dell’ottica. Tuttavia, i capitoli sull’ottica possono facilmente essere affrontati dopo la Parte VI, se i docenti preferiscono quest’ordine di trattazione degli argomenti.

Gli Autori

Randy Knight ha insegnato fondamenti di fisica per 32 anni all’Ohio State University e alla California Polytechnic University, dove è Professore Emerito di Fisica. Ha conseguito il dottorato in fisica a Berkeley, presso la University of California, e ha svolto attività di post doc presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics prima di entrare a far parte dell’Ohio State University. In Ohio ha iniziato a dedicarsi alla ricerca sulla didattica della fisica che lo ha portato, diversi anni dopo, a pubblicare il testo Five Easy Lessons: Strategies for Successful Physics Teaching, Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach, e recentemente il presente libro. Gli ambiti di ricerca di Randy Knight sono la spettroscopia laser e la scienza ambientale. Durante il tempo libero Randy Knight coltiva numerosi interessi tra cui il trekking, la canoa marina e il pianoforte. È sposato con Sally e ha sei gatti.

Brian Jones ha conseguito diversi premi per la didattica presso la Colorado State University nel corso dei suoi 25 anni d’insegnamento presso il Dipartimento di Fisica. In questi ultimi anni si è dedicato in particolare all’insegnamento della fisica fondamentale (College Physics), elaborando i problemi per i test d’ingresso alla facoltà di medicina americana e aiutando gli studenti a ottenere la preparazione necessaria per questo tipo di prova. Nel 2011, Brian Jones è stato insignito della medaglia Robert A. Millikan dell’American Association of Physics Teacher per il suo lavoro di direttore del Little Shop of Physics, un programma di divulgazione scientifica attraverso un approccio pratico. Brian Jones è attivamente impegnato nella ricerca di metodi per una didattica scientifica informale e nella loro applicazione anche nell’ambito dell’insegnamento universitario. È stato invitato nell’ambito di diversi workshop sulle tecniche dell’istruzione scientifica negli Stati Uniti, nel Belize, in Cile, in Etiopia, in Azerbaigian, in Messico e in Slovenia. Una curiosità: Brian Jones e sua moglie Carol possiedono un grande frutteto, nel quale è presente un melo che deriva da un albero che era presente nel giardino di Isaac Newton.

Stuart Field ha da sempre una grande passione per la scienza e per la tecnologia. Quando era ancora uno studente costruiva telescopi, circuiti elettronici e computer. Dopo avere frequentato la Stanford University, ha conseguito un dottorato alla University of Chicago, dove ha studiato le proprietà dei materiali a bassissime temperature. Dopo un’esperienza come post doc presso il Massachusetts Institute of Technology, ha avuto un incarico presso la University of Michigan. Attualmente alla Colorado State University, Stuart Field è titolare di una varietà di corsi di fisica ed è stato uno dei primi professori ad adottare con entusiasmo il testo Physics for Scientists and Engineers di Randy Knight. L’autore mantiene un programma di ricerca attivo nel campo della superconduttività. Ama i grandi spazi aperti del Colorado ed è un appassionato di mountain bike; gioca inoltre nel campionato locale di hockey su ghiaccio.