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Che cosa succede se

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Che cosa succede se
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Sensate esperienze
Riflessioni per insegnare la fisica
attraverso una didattica laboratoriale
8 Aprile 2014
Relatore: Gianpaolo Parodi
I principi della dinamica
e la spiegazione del moto
Riflessioni e proposte di lavoro
Didattica laboratoriale:
un’attività didattica basata su:
- osservazione dei fenomeni
- ricerca di spiegazioni basate sui
concetti della fisica
- discussione con e tra gli studenti
Obiettivo: comprendere la fisica
Realizzare con gli studenti attività sperimentali
semplici.
Stimolare le loro osservazioni, prima di fornire
la risposta «esatta».
Cercare le spiegazioni fisiche di situazioni
tratte dalla vita quotidiana e discuterle.
Concetti fisici e spiegazioni scientifiche
Analogia
Concetti = strumenti di lavoro
Spiegazione = costruzione di un manufatto
Oggi non parleremo di:
Teorie
• Equazioni del moto
• Formule, dimostrazioni
• Formalizzazione di problemi e problem
solving
•
Il problema: spiegare il moto
Obiettivo
Costruire spiegazioni dei fenomeni quotidiani
condivise dagli studenti.
Modificare la loro visione del mondo fisico
utilizzando i concetti fisici.
La soluzione di problemi quantitativi viene
dopo.
Spiegare i moti intorno a noi
ovvero la meccanica fuori dalla scuola
Sei su un auto sportiva in partenza. Che cosa senti?
L’auto frena improvvisamente. Che ti succede? Come
lo spieghi?
L’autobus frena, oppure percorre una curva veloce.
Che ti succede?
L’ascensore parte (sale o scende). Che cosa senti?
Che cosa segnerebbe una bilancia sotto i tuoi piedi
nelle due fasi di inizio salita e inizio discesa?
La fisica in auto
La fisica in ascensore: se un ascensore cadesse in
caduta libera, che cosa succederebbe ad un oggetto
lasciato libero al suo interno?
Fisica newtoniana vs fisica aristotelica:
un paradigma più efficace
Spiegazione aristotelica più intuitiva e
immediata, ma non sempre funziona bene:
una freccia, un sasso lanciati . .
La fisica galileiana spiega meglio i fenomeni,
ne spiega un maggior numero con una sola
ipotesi, l’inerzia e il nuovo ruolo della forza.
Che cosa mantiene una freccia in volo?
Problema
Molti studenti mantengono una visione
ingenua di tipo aristotelico su molti fenomeni
naturali anche molto tempo dopo
l’apprendimento formale dei principi della
dinamica newtoniana quindi . . .
come si modifica questa visione?
Principio di inerzia
Esempi di moti su piani orizzontali:
- un libro su un tavolo,
- una bicicletta su una strada,
- una barca su un lago,
- Il curling
Perché prima o poi si interrompono?
Fisica e sport: il curling
«Sperimentare» l’inerzia
Proviamo a lanciare (e ricevere) palloni di
massa diversa stando su pattini a rotelle.
Che succede se proviamo a fermare un
pattinatore sul ghiaccio?
Mettere in movimento (o rallentare) una
bicicletta con sopra una persona.
Fisica sul ghiaccio
L’inerzia in mare
Perché è così difficile rallentare o frenare
in poco tempo il moto di una nave che si
avvicina alla banchina di un porto?
La fisica in mare
Il principio di relatività galileiano:
chi si muove «veramente»?
Un treno parte vicino a un altro treno fermo in una
stazione.
Due navi da crociera si incontrano in alto mare.
Galileo e il principio di relatività. . .
La fisica in treno: chi si muove?
Immaginare e riflettere
Su un aereo in volo ad alta quota si può
versare da bere, bere, mangiare, camminare,
giocare a palla come a terra?
La velocità dell’aereo è importante?
Rinunciare all’idea di “moto assoluto”,
sgradevole, «destabilizzante» per gli studenti?
Fisica in volo
La ricerca delle cause del moto
Studiare la partenza di biciclette, auto da
corsa, autobus, aerei, razzi ecc. e coinvolgere
gli studenti nella ricerca della spiegazione
della causa del moto (e della sua cessazione),
ovvero la ricerca delle «forze».
Utili quesiti finali (vedi fine presentazione).
Proposte di attività sperimentali
Per studiare moti accelerati si può costruire
una macchina di Atwood con una piccola
puleggia di circa 4/ 5 cm di diametro, fissarla
ad una parete in verticale e usare filo da
pesca, contenitori cilindrici per pastiglie (vuoti
o riempiti con piccoli oggetti, per esempio
piccole sfere di vetro o riso o sabbia).
Macchina di Atwood con pesi di massa uguale
posti ad altezze diverse
Macchina di Atwood con pesi di massa uguale:
si portano alla stessa altezza?
Che cosa succede se si imprime una piccola
spinta a uno dei due? e che cosa cambia se
invece le masse contenute nei due tubetti
sono differenti?
Macchina di Atwood con pesi di massa diversa:
ma posti alla stessa altezza: che succede?
Il terzo principio della dinamica
Attività di tipo puramente osservativo, che
hanno l’obiettivo di condurre gli studenti a
schematizzare correttamente e a
rappresentare graficamente tutte le forze ( di
“azione e di “reazione”) in gioco.
“Barchette magnetiche”: in una bacinella
contenente dell’acqua si fanno galleggiare due
tavolette di sughero o di polistirolo, collegate
ai bordi opposti della bacinella attraverso due
fili molto sottili (si devono spezzare
facilmente) e sopra alle tavolette si fissano
due magneti di diversa massa.
Quale dei due fili si spezzerà per primo?
Molti studenti attribuiscono forza maggiore
alla calamita più grande, basandosi
sull’esperienza dell’avvicinamento della
calamita ad una superficie di ferro.
Filari di anellini magnetici infilzati su uno
stecchino in modo che rimangano attaccati.
Successivamente si cambia l’orientamento in
modo che qualche magnete rimanga sospeso
in aria.
Esperienza con anelli magnetici
Domanda (prima): quanto pesa la bacchetta
con i magneti infilzati nelle due configurazioni?
Interpretare la lettura della bilancia come
“forza normale” , cioè come “reazione” alle
forze esercitate dai corpi sovrastanti il piatto,
in direzione perpendicolare allo stesso.
Variante
Porre un bicchiere con dell’acqua sulla bilancia
e chiedere “se metto il mio dito nell’acqua
senza toccare il fondo del bicchiere che cosa
leggo sulla bilancia? Il peso rimane lo stesso?”
Raccogliere le risposte e le motivazioni, prima
di mostrare sperimentalmente che il peso
aumenta.
Quanto pesa un dito?
Quale significato attribuire alla differenza di
peso? Discussione.
Necessità di disegnare il diagramma delle
forze e di riflettere sul significato di peso letto
sulla bilancia come forza normale.
Rivedere anche il principio di Archimede.
Come avviene il moto di un proiettile?
«Il proiettile avanza nell’aria e, dopo un po’. . . esaurita la forza
impressa. . . cade».
[Studente terza liceo scientifico qualche tempo dopo la lezione]
Concezioni di fisica naturale o ingenua (tipo teoria
aristotelica o teoria dell’impeto), precedenti agli studi
scolastici, persistono e orientano le argomentazioni
degli studenti e la loro visione del mondo anche dopo
aver seguito lezioni di fisica sull’argomento.
Attività su inerzia e moto dei proiettili
Prove sperimentali con palline da giocoleria.
1. Si lancia in aria una pallina stando fermi
2. Si lancia la pallina mentre si cammina a velocità
costante.
3. Possibile utilizzare uno skateboard.
(In questo caso gli studenti sperimentatori devono
essere almeno due, uno effettua i lanci della pallina,
mentre l’altro spinge lo skateboard).
Gioco- esperimento
Che cosa succede se . . ?
Chiedere sempre prima agli studenti
«che cosa succede se»:
- lascio cadere a terra la pallina (da fermo e
successivamente in movimento)?
- lancio la pallina in alto, in verticale?
Chiedere di formulare ipotesi sulla traiettoria e
sul punto di caduta.
Verificare la traiettoria parabolica
Semplice apparato sperimentale che comprenda:
- una guida inclinata posta su un tavolo (di lunghezza
maggiore della guida),
- un’asse di legno di lunghezza pari all’altezza del tavolo,
fissata a due sostegni verticali e delle sfere di acciaio o
di vetro.
Il “volo” della sfera viene bloccato dall’asse a
una quota che dipende dalla distanza dal
tavolo in cui esso è stato posizionato.
Ripetendo diverse volte l’esperimento si
possono ottenere diversi punti, che
permettono di costruire il grafico di una
parabola.
Ascissa = distanza del punto dal tavolo
ordinata = altezza da terra rilevata sull’asse
Ulteriori quesiti agli studenti
Come variano la velocità, l’accelerazione e la
forza applicate ad un proiettile, lanciato
orizzontalmente, nelle varie fasi del moto?
Spesso gli studenti confondono forza ed
accelerazione o velocità ed accelerazione.
1. Un sasso cade nell’acqua. Se il suo moto nell’acqua
è rettilineo uniforme, quali forze agiscono sul sasso
nell’acqua? Quale è la loro risultante
[Principio di inerzia . . . risultante delle forze . .
forza
peso. . . forza di attrito dovuta alla resistenza
dell’acqua].
2. Un ragazzo sulla banchina di una stazione e un
altro su un treno in transito in moto rettilineo
uniforme osservano la caduta di un oggetto dal treno.
Osservano la stessa traiettoria? Misurano la stessa
velocità di impatto con il terreno? La stessa
accelerazione di caduta?
3. È più faticoso spingere un’auto sulla Terra o sulla
Luna?
[La “fatica” è la stessa, la massa inerziale non cambia
da pianeta a pianeta e quindi, per il secondo principio]
4. Perché l’elica non serve su un’astronave al di fuori
dell’atmosfera terrestre? Funzionano nello spazio i
motori a reazione?
5. Mi trovo a galleggiare in un’astronave nelle spazio
lontano dalla Terra e da ogni altro corpo celeste.
Quant’è il mio peso? Che mi succederebbe se
l’astronave accendesse i motori e partisse in una
determinata direzione con accelerazione costante
uguale a g?
6. Ti trovi su un’auto in curva. Quale corpo “fornisce”
la forza centripeta che mantiene il tuo corpo nella
traiettoria circolare? E quale corpo “fornisce” la forza
centripeta all’auto? E perché un’auto sbanda in curva
su una strada ghiacciata?
7. Immagina di trovarti all’interno di un proiettile
sigillato (abbastanza grande per contenerti, ma dal
quale non puoi guardare fuori) lanciato sulla superficie
terrestre e di poter fare esperimenti su oggetti tenuti
in mano o lasciati cadere. Che cosa succederebbe per
esempio a una pallina lasciata cadere? E all’acqua
rovesciata da un bicchiere o da una bottiglia?
8. Perché un saltatore in lungo deve essere un buon
velocista?
9. Perché un motociclista che fa il giro della morte
non cade?
10. Che cosa succede a un corpo appeso a una fune
che oscilla (un pendolo) se tagliate la fune?
a. Nel punto di massima altezza.
b. Nel punto più basso.
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Investigare la realtà.
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Relatore Barbara Scapellato
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