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Concorso ordinario Stem, cosa studiare per la classe di concorso A020-fisica?

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Come prepararsi al Concorso ordinario secondaria per le discipline Stem, che ha appena riaperto i termini?

I programmi vengono stabiliti come da decreto del Capo Dipartimento per il sistema educativo di istruzione e di formazione 5 gennaio 2022, n. 23. Un provvedimento che a sua volta, in fatto di programmi, rinvia all’Allegato A del decreto ministeriale 9 novembre 2021, n. 326.

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Allegato A Programmi secondaria

Il programma concorsuale

Oltre alla parte generale, comune a tutte le classi di concorso e relativa alle metodologie didattiche, alla normativa scolastica, alle competenze digitali, psicologiche, pedagogiche, ecc, il candidato dovrà anche dimostrare adeguate conoscenze e competenze relativamente ai seguenti nuclei tematici disciplinari:

Storia e didattica della fisica

Sviluppo della ricerca scientifica in fisica, con particolare attenzione alla rivoluzione scientifica del XVI e XVII secolo, alle rivoluzioni industriali e alla fisica del 1900. Analisi dei contenuti e delle metodologie didattiche richieste dalle Indicazioni nazionali e dalle Linee guida di fisica. La didattica laboratoriale nell’insegnamento della fisica. Preparazione ed esecuzione dei principali esperimenti della fisica classica.

Grandezze fisiche e loro misura

Grandezze fisiche scalari e vettoriali. Calcolo vettoriale. Equazioni dimensionali. Sistema Internazionale delle unità di misura. Strumenti di misura. Analisi degli errori di una misura e distribuzione di Gauss. Cifre significative. Interazione tra osservatore e sistema osservato.

Meccanica del punto materiale e del corpo rigido

Le tre leggi della dinamica. Descrizione cinematica e dinamica del moto di un punto materiale. Forze vincolari e forze d’attrito. Legge di gravitazione universale. Sistema di punti materiali. Corpo rigido.

Elementi di statica e dinamica del corpo rigido. Sistema di riferimento del centro di massa. Leggi di conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare. Il moto dei pianeti. Leggi di Keplero. Lavoro di una forza e del momento di una forza. Energia cinetica di traslazione e di rotazione. Urti in una e in due dimensioni. Forze conservative e non conservative.

Statica e dinamica dei fluidi

Definizione di fluidi e fluidi ideali. Legge di Stevino. Principi di Pascal e di Archimede. Dinamica dei fluidi ideali: portata, equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e principali applicazioni.

Sistemi di riferimento e relatività

Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Moti relativi: traslazione; rotazione e roto- traslazione.
Forze inerziali. Approssimazione di sistema di riferimento inerziale. Trasformazioni galileiane e invarianza delle leggi della meccanica. Misure della velocità della luce. Esperimento di MichelsonMorley. Spazio-tempo di Minkowski. Trasformazioni di Lorentz. La simultaneità come concetto relativo. Contrazione delle lunghezze e dilatazione dei tempi. Composizione relativistica della velocità. Massa e quantità di moto relativistici. Relazione tra massa ed energia. EffettoDoppler relativistico.

Campo elettrico e campo magnetico

Concetto di campo come superamento dell’azione a distanza. Campi scalari e vettoriali. Il campo gravitazionale. Cariche elettriche e legge di Coulomb. Campo elettrico. Moto di cariche nel campo elettrico. Il passaggio dell’elettricità nei liquidi. Elettrolisi. Passaggio dell’elettricità nei gas. Linee di forza e flusso del campo elettrico. Teorema di Gauss. Capacità elettrica e condensatori.

Campo magnetico. Concetti di campo conservativo e non conservativo. Flusso e circuitazione del campo magnetico. Teorema di Ampère. Moto di cariche in un campo magnetico: forza di Lorentz. Energia e densità d’energia nei campi elettrico e magnetico. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Circuiti elettrici in corrente continua ed alternata. Effetto Joule. Interpretazione microscopica della corrente elettrica nei solidi conduttori. Il passaggio della corrente elettrica nei componenti a semiconduttore.

Comportamento di conduttori percorsi da corrente in un campo magnetico. Effetto Hall. Induzione elettromagnetica. Campi elettrici e magnetici variabili. Il flusso di energia elettromagnetica e la propagazione del campo elettromagnetico.

Onde ed oscillazioni

Oscillatore armonico. Energia dell’oscillatore. Sistemi meccanici ed elettrici oscillanti. Unità fonometriche. Oscillazioni smorzate, forzate, risonanza. Onde e loro propagazione. Effetto Doppler.
Principio di sovrapposizione delle onde. Teorema di Fourier. Onde stazionarie.

Ottica

Modelli ondulatorio e corpuscolare della luce. Riflessione e rifrazione, lenti sottili, composizione di lenti. Principali strumenti ottici. Aberrazioni ottiche. Spettroscopia. Onde elettromagnetiche.
Interpretazione dei fenomeni di propagazione ondulatoria mediante il principio di Huygens.
Interferenza, diffrazione, polarizzazione. Equazioni di Maxwell. Lo spettro elettromagnetico.
Generazione, trasmissione e ricezione di segnali elettromagnetici. Unità fotometriche.

Termodinamica

Sistemi a gran numero di particelle. Determinazione del numero di Avogadro. Grandezze fisiche macroscopiche: pressione, volume e temperatura. Equazioni di stato del gas ideale e dei gas reali.
Equilibrio termico e principio zero della termodinamica. Dilatazione termica dei corpi solidi e liquidi.
Termometri. Passaggi di stato. Energia interna e primo principio della termodinamica. Propagazione dell’energia termica. Calore e sua misura. Calori specifici. Trasformazioni reversibili ed irreversibili.
Ciclo di Carnot. Secondo principio della termodinamica. Entropia. I potenziali termodinamici.
Principali macchine termiche. Temperatura termodinamica assoluta. Terzo principio della termodinamica. Teoria cinetica del gas ideale. Moto browniano. Distribuzione della velocità delle molecole in un gas. Principio di equipartizione dell’energia. Entropia e probabilità.

Sistemi dinamici complessi

Caos deterministico: mappa logistica, modello di Lorenz. Invarianza discala, autosimilarità, proprietà frattali.

Fisica quantistica

Prime evidenze sperimentali dell’esistenza degli atomi, esperimento di Rutherford. Scoperta dell’elettrone e determinazione del rapporto e/m. Esperimento di Millikan. Radiazione del corpo nero e ipotesi di Planck. Effetto fotoelettrico ed equazione di Einstein. Il fotone. Effetto Compton.

Spettri di assorbimento e di emissione: modelli di atomo, quantizzazione dell’atomo di Bohr e relazione di De Broglie. Esperienza di Franck ed Hertz. Numeri quantici. Principio di Pauli.Esperienza di Stern e Gerlach. Effetto Zeeman. Eccitazione e ionizzazione di un atomo. Radiazioni atomiche ad alta frequenza. Spettro dei raggi X. Emissione stimolata (laser). Lunghezza d’onda di De Broglie.
Diffrazione degli elettroni. Funzioni d’onda ed equazione di Schrödinger. Comportamento di una particella in una buca di potenziale rettangolare. Effetto tunnel. Principio d’indeterminazione di Heisenberg.

La fisica del nucleo e delle particelle

Protone e neutrone. Composizione dei nuclei atomici: modelli nucleari. Numero atomico e numero di massa. Isotopi. Stabilità nucleare. Radioattività naturale e famiglie radioattive. Decadimento radioattivo. Tipi di radioattività e spettri delle radiazioni. Radioattività artificiale: reazioni nucleari, fissione, fusione. Raggi cosmici. Acceleratori di particelle. Materia ed antimateria. Produzione di coppie e annichilazione. Il neutrino. Classificazione delle particelle. Interazioni fondamentali e principi di conservazione. Le particelle del modello standard: quark, leptoni e bosoni mediatori delle interazioni. Interazione di particelle cariche e di radiazioni elettromagnetiche con la materia.
Metodi di rivelazione di particelle ionizzanti e di fotoni. Interazioni dei neutroni con la materia e tecniche di rivelazione. Grandezze radiometriche e dosimetriche. Effetti biologici delle radiazioni.

La fisica delle stelle e dell’universo

Metodi d’indagine in astrofisica. Dinamica del sistema solare. Le reazioni termonucleari all’interno di una stella. Evoluzione stellare. Il sole. Il sistema solare. Le galassie. Relatività generale.
Curvatura dello spazio-tempo. Rallentamento degli orologi, deflessione della luce, avanzamento del perielio di Mercurio. Il red-shift cosmologico. Modelli d’universo. La radiazione cosmica di fondo.

Fonti di energia

Principi generali sulla produzione, la trasformazione e il trasporto dell’energia elettrica. Schema concettuale degli impianti termici convenzionali e degli impianti idroelettrici. Fissione e fusione nucleare. Principio di funzionamento dei reattori nucleari. Sicurezza nucleare e protezione sanitaria.
Stoccaggio dei rifiuti radioattivi. Energie alternative e problemi del risparmio energetico. Produzione di energia da fotovoltaico e eolico.
Si richiede inoltre la conoscenza di almeno un linguaggio di programmazione e l’utilizzo dei principali pacchetti applicativi (video scrittura, foglio elettronico, video presentazione).

Prova pratica

La prova pratica consiste nella misura di una o più grandezze fisiche, la verifica di una legge o lo studio di un fenomeno fisico. Il risultato deve essere descritto e commentato in un’apposita relazione scritta.

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