forza peso - Brigantaggio

Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
1) Fionde e dinamometri
2) Piede contro piede
Forza e interazione
Attività
1) Tarare un elastico
2) Spingere e tirare
Concetti
1) Forza e interazione; la direzione
della forza e il vettore forza; la
misura della forza con uno
strumento tarato
3) Far cambiare il “peso”
3) Una bilancia che funziona
in uno strano modo
4) Giochi su una bilancia da
bagno
5) Zavorre e galleggiamento
6) La spinta di Archimede
4) Usare una bilancia come
dinamometro
5) Indagare le forze che
agiscono su un corpo
immerso
6) Misurare la spinta di
Archimede e correlarla
con il volume della parte
immersa del corpo
V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007”
2) Azione e reazione; la forza di
attrito
3) Massa e forza peso
4) Azione e reazione; la
trasmissione delle forze
5) La spinta di Archimede: come
agisce e quanto vale
6) La relazione fra la spinta di
Archimede e il fluido “spostato”
Forza e interazione-1
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Forza e interazione
Occhiello forza
• forze uguali producono effetti uguali,
• per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i
loro effetti,
• con il dinamometro si misura una forza misurando
l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla
o a un elastico,
• il dinamometro deve essere tarato misurando gli allungamenti
prodotti da forze note,
• una forza nota è ad esempio la forza-peso che agisce su un nel
SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari
alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg.
Massa e forza-peso
• la massa è una caratteristica del corpo, legata alla “quantità di
materia” che c’è nel corpo (numero e tipo di atomi)
• la forza di gravità è la forza con cui il corpo è attirato dalla
Terra: non può essere una caratteristica del corpo, perché,
essendo l’espressione di una interazione, dipende dall’altro
“attore” dell’interazione, cioè la Terra (sulla Luna, ad esempio,
sarebbe diversa)
• la forza peso è la risultante di tutte le forze che attirano il corpo
verso il basso, quindi anche la forza peso non è una proprietà del
corpo,
• il termine “peso” è da evitarsi, perché ambiguo, dato che, nel
linguaggio comune, può indicare sia massa che forza peso (così
pure va evitato il termine “peso specifico” al posto di “densità”),
•alla forza peso di un corpo immerso in un fluido contribuisce
anche la spinta verso l’alto dovuta alla pressione del fluido, che è
pari alla forza peso del fluido che la parte immersa del corpo
sposta
Consegna:
tutto quello che si può fare con elastici, bastoncini, bilance
da bagno, metro a nastro, palline e oggetti vari
Azione e reazione
• le forze sono sempre "accoppiate"; se una persona/cosa fa forza (azione) su
un'altra persona/cosa, quest'ultima applica a sua volta alla prima una forza
uguale e diretta in verso opposto (reazione),
• azione e reazione sono perciò applicate a due oggetti diversi
• è importante, nel rappresentare le forze di azione-reazione mediante frecce,
prestare molta attenzione al punto di applicazione di ciascuna forza, oltre che
alla sua intensità e direzione: la freccia va posta con la “coda” il più vicino
possibile al punto di applicazione,
• nel comporre le forze applicate a un certo oggetto, in presenza di forze di
azione e reazione, è importante tenere conto solo delle forze applicate a
quell'oggetto e non delle forze di azione o reazione che quell'oggetto esercita su
altri oggetti.
F  0,1 kg  9,8 m/s2  0,98 N  1 N
1 N è circa pari alla forza-peso
di un oggetto di 102 g
Forza e interazione-2
PED Fisica
classe A059
Fionde e dinamometri
Forzadito-elastico
Oggetti: un bastoncino robusto a forma di Y, un elastico, alcune palline di carta, un metro a
nastro di carta e una serie di oggetti tutti uguali che si possano appendere facilmente
Attività:
• tenere il manico della fionda con una mano, con l’altra tirare l’elastico stringendo la pallina
• individuare i soggetti/oggetti dell’interazione
• scegliere la giusta orientazione prima di lasciare andare la pallina
• tarare in “newton” l’elastico della fionda per misurare la forza; a questo scopo:
- quando l'elastico è scarico, segnare sul nastro lo "zero" in corrispondenza della sua fine,
- appendere un oggetto (ad esempio, una bottiglietta piena d’acqua),
- segnare una prima tacca in corrispondenza della fine dell'elastico,
- una seconda tacca in corrispondenza di due oggetti appesi, e così via;
- ricordare di indicare sempre l'unità di misura usata;
- organizzare i dati in una tabella e costruire il grafico di taratura
Concetti:
• la forza è una grandezza fisica che caratterizza una interazione, non un oggetto,
• il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono,
• per individuare la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione,
• la forza come vettore si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione,
• riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare,
allungare, deformare, ecc.; forze uguali producono effetti uguali
• per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti
• con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è
applicata a una molla o a un elastico
• nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), circa pari alla forza-peso di un oggetto di
massa 1 hg
• sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con
gli allievi perché può essere confusa con l’unità di misura della massa (kg)
Forzamano-bstoncino
Sicurezza
Utilizzando gli elastici, si
presti attenzione alla presenza
di ragazzi non ancora rispettosi
delle regole e/o portatori di
certi tipi di handicap
Forza e interazione-3a
PED Fisica
classe A059
Fionde e dinamometri
La fisica:
• la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione
40
Esempio di dati e grafico di taratura di un elastico
volume (ml) 0
100 200 300 400 500
forza (N)
0
1
2
3
4
5
lungh. (cm) 20
22 24,5 28
32
38
cm
• il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono
• per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione
• la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione
• riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc.
• la forza si misura con un dinamometro tarato
grafico di taratura
35
30
25
20
15
0
1
2
3
4
5
N
6
Contesto e aspetti didattici:
- è importante che ogni ragazzo costruisca la propria fionda, perché l’appropriazione dell’oggetto comporta e
favorisce l’appropriazione del concetto
- la conduzione dell’attività “dare un nome alle forze” e la discussione circa la necessità della taratura dell’elastico
è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti (grafico di taratura) e la relativa interpretazione è consigliata per
una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
- con la taratura l'elastico diventa un dinamometro, tarato in unità di forza-peso degli oggetti appesi
Forza e interazione-3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
G
M
Piede contro piede
Oggetti: un elastico robusto già tarato e due bilance pesa persona
Attività:
•legare le due bilance schiena a schiena e appoggiarle a terra
verticalmente
•due studenti si siedono a terra e spingono coi piedi sulle due bilance
mentre con le mani tirano l’elastico in verso opposto per ristabilire
l’equilibrio
•misurare le forze indicate dalle bilance e dall’elastico tarato
•assegnare a queste forze il “nome” e la direzione
•individuare quali altre forze intervengono
Concetti:
• direzione delle forze
• azione e reazione
• forza di attrito “statico”
• misura della forza
Attacco (spunti e continuità):
- gare di forza
Sicurezza
Utilizzando elastici, si presti particolare
attenzione nella eventuale presenza di
ragazzi non ancora rispettosi delle regole
e/o di certi tipi di handicap
Riferimenti:
Aspetti didattici:
- forze “visibili” (muscolari degli studenti) e “non visibili” (elastica,
di gravità, studente-pavimento, pavimento-studente…)
- G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere,
sollevare – Laboratorio minimo di Mario
Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994
- www.iapht.unito.it
Forza e interazione-4a
Piede contro piede
G
M
FM-mG
FG-mM
La fisica:
le forze si trasmettono (dalla mano di una delle due,
attraverso l’elastico, alla mano dell’altra e dal piede
FM-pG F
di una delle due, attraverso le bilance, al piede dell’altra)
G-pM
Fpav-G
Fpav-M
• azione e reazione: le forze sono uguali e contrarie, ma
applicate a persone diverse (FM-mG =-FG-mM , FM-pG =-FG-pM )
• ogni ragazza è in equilibrio perché interagisce con il pavimento con una forza che
compensa la differenza fra la forza esercitata sui piedi e quella esercitata sulle mani
• nell’interazione con il pavimento gioca un ruolo essenziale l’attrito statico
nota bene: perché un corpo sia in equilibrio occorre che la risultante delle forze applicate a
quel corpo sia nulla (ad esempio, FG-mM + FG-pM + Fpav-M = 0, dove la somma è vettoriale)
Contesto:
- l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli
- la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della
scuola elementare
- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno
adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore)
Forza e interazione-4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Una bilancia che funziona in uno
strano modo
Fdita-bottiglia
FTerra-bottiglia
Oggetti: una bilancia da cucina, una bottiglietta, un dinamometro
Attività:
• mettere la bottiglietta contenente acqua sulla bilancia e pesarla
• sollevarla lentamente tenendola per la cima e osservare come cambia il
“peso”
• sollevarla tenendola con un dinamometro e misurare allo stesso tempo
la forza che il dinamometro registra e la variazione di forza peso
• individuare tutte le forze che agiscono sulla bottiglietta mentre la si
solleva
Concetti:
• massa e forza peso
• la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia
invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le
dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia )
Aspetti didattici:
- individuare tutte le forze
- distinguere fra massa e forza peso
Attacco (spunti e continuità):
- gare di forza
Riferimenti:
- G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere,
sollevare – Laboratorio minimo di Mario
Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994
- www.iapht.unito.it
Forza e interazione-5a
Una bilancia che funziona in uno strano modo
La fisica:
• massa e forza peso
Fditabottiglia
FTerra-bottiglia
• la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso
perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre
che con la Terra (FTerra-bottiglia )
• questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni
che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani)
• le forze si compongono (somma vettoriale, cioè somma che tiene conto della direzione)
• le forze si trasmettono (in questo caso dalla bottiglietta alla bilancia)
nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso,
tener conto che, ad esempio, a 102 g di massa corrisponde circa 1 N!
Contesto:
- la conduzione dell’ attività, a livello qualitativo, è fattibile a partire dalla prima media
- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che
rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un
raccordo con la scuola secondaria superiore)
Forza e interazione-5b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
F…….
Giochi su una bilancia da bagno
F…….
Felastico-ragazzo
Oggetti: due bilance da bagno, un elastico tarato, una riga pieghevole
Attività: chiedere
• a due studenti di salire ciascuno su una bilancia da bagno e di
“leggere” la propria massa e convertirla in unità di forza
• a uno di loro di tirare verso il basso l’elastico, che l’altro sta invece
tirando verso l'alto
• di leggere nuovamente la propria massa e convertirla in unità di forza
•confrontare la variazione con la forza applicata dall’elastico
Concetti:
• in un oggetto solido le forze si trasmettono da un punto all'altro
mantenendo la loro direzione
• azione e reazione
• composizione delle forze
FTerra-ragazzo
Attacco (spunti e e continuità):
attività ludiche in coppia
Sicurezza
Utilizzando gli elastici, si presti particolare
attenzione nella eventuale presenza di
ragazzi non ancora rispettosi delle regole
e/o di certi tipi di handicap
Riferimenti:
Aspetti didattici:
- nel rappresentare mediante frecce le forze che si trasmettono,
prestare molta attenzione a indicare correttamente i punti di
applicazione, la direzione, l‘ origine e il destinatario di ciascuna forza
- G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere,
sollevare – Laboratorio minimo di Mario
Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994
- www.iapht.unito.it
Forza e interazione-6a
F el-amica
Giochi su una bilancia da bagno
F el-ragazzo
La fisica:
FTerra-amica
• la massa dei due ragazzi non cambia quando tirano l’elastico, cambia invece la
loro forza peso perché si trovano a “interagire” fra di loro attraverso l’elastico
(Felastico-ragazzo, Felastico-amica ) oltre che con la Terra (FTerra-ragazzo, FTerra-amica)
• questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni
F Terra-ragazzo
che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani)
• le forze si compongono; la somma è vettoriale, cioè tiene conto della direzione:
Fpesoragazzo = FTerra-ragazzo- Felastico-ragazzo; Fpesoamica = FTerra-amica+ Felastico-amica
• usando un elastico tarato, si può verificare che la “nuova” forza peso è uguale alla precedente più (o meno) la
forza F corrispondente all’allungamento dell’elastico (F=Felastico-ragazzo= Felastico-amica)
• le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di uno dei due, attraverso l’elastico, alla mano dell’altro)
• azione e reazione
nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad
esempio, a 102 g di massa corrisponde circa 1 N!
Contesto:
-l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli
- la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della
scuola elementare
- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno
adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore)
Forza e interazione-6b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Zavorre e galleggiamento
livello dell’acqua
all’esterno
Oggetti: bicchieri o recipienti trasparenti tutti uguali, in cui mettere il materiale da
esaminare, materiali vari (per esempio sabbia, pongo , biglie di vetro…), bilancia,
nastro adesivo, cilindri graduati
Attività:
• tarare i recipienti o i bicchieri
• mettere nel recipiente una certa quantità di sabbia o le biglie e pesarlo
• immergerlo in una vaschetta contenente acqua e segnare il livello della parte
immersa
• immergere nella vaschetta il recipiente identico e, tenendolo verticale, versare acqua
fino a quando risulta immerso allo stesso livello del recipiente con gli oggetti;
• estrarlo e pesarlo: dovrebbe avere lo stesso peso dell’altro recipiente
Concetti
Attacco (spunti e continuità):
- esperienze sul galleggiamento
• spinta di Archimede: la spinta verso l’alto è pari alla forza-peso del liquido spostato,
che è pari alla forza-peso dell’oggetto, dato che l’oggetto galleggia;
Riferimenti:
Aspetti didattici:
• individuare tutte le forze
• rappresentare le forze mediante frecce
- L. Pizzorni – Il manuale del giovane scienziato
- Fabbri Editori, 1984
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994
- G. Rinaudo et al. – Dossier Scienze (Piano
Pluriennale di Aggiornamento sui Nuovi
Programmi per la Scuola Elementare),
IRRSAE Piemonte, SEI, 1989
- www.iapht.unito.it
Forza e interazione-7a
Zavorre e galleggiamento
La fisica:
- il galleggiamento e la spinta di Archimede: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l’alto pari
alla forza peso del liquido spostato
> se galleggia, il corpo sposta un volume di liquido sufficiente per equilibrare la propria forza peso senza
immergersi completamente;
> le biglie o la sabbia spostano un volume di liquido sufficiente per equilibrare la forza peso del corpo grazie
all’aria contenuta nel recipiente (principio della barca)
- il dilemma: massa, peso, o forza peso? Sulla bilancia infatti misuriamo delle masse, ma l’equilibrio è tra la
forza peso del corpo immerso e quella del liquido spostato: si assume che, se le forze peso sono uguali, anche
le masse siano uguali
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Forza e interazione-7b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
La spinta di Archimede
Oggetti: bilancia a due bracci, pesiera, pongo, un bicchierino di plastica, una clip, cilindro graduato, dinamometro, acqua
Attività:
• costruire un oggetto di pongo, inserendo al suo interno la clip in modo da realizzare un gancio per sospenderlo,
• misurarne il volume per immersione nel cilindro graduato,
• sospendere (utilizzando del filo) l’oggetto sotto uno dei piattelli e su questo porre il bicchierino vuoto,
• equilibrare la bilancia,
• immergere l’oggetto nell’acqua e, dopo aver osservato che l’equilibrio risulta alterato, ripristinarlo versando dell’acqua nel
bicchierino,
• misurare il volume dell’acqua versata nel bicchierino.
• Con il dinamometro misurare direttamente la spinta che l’oggetto immerso riceve dall’acqua
Concetti
• spinta di Archimede: la spinta verso l’alto è pari alla forzapeso del liquido spostato, che è pari alla forza-peso
dell’oggetto se l’oggetto galleggia
Aspetti didattici:
• la relazione tra galleggiamento e densità relative al
liquido di immersione
- la densità come “caratteristica di una sostanza”
Riferimenti:
Attacco (spunti e continuità):
- esperienze sul galleggiamento
- M. Michetti – Guida al Laboratorio di fisica – Canova, 1989
- www.iapht.unito.it
Forza e interazione-8a
La spinta di Archimede
La fisica:
- il galleggiamento e la spinta di Archimede: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l’alto
pari alla forza peso del liquido spostato
- se il corpo galleggia, la forza peso del liquido spostato è pari alla forza peso del corpo (zavorra) immerso e
quindi anche la massa del liquido spostato è uguale alla massa del corpo
- la massa del liquido spostato è pertanto pari alla massa del corpo
- il volume del liquido spostato è invece maggiore del volume del corpo
- il dilemma: massa, peso, o forza peso? Sulla bilancia infatti misuriamo delle masse, ma l’equilibrio è tra la
forza peso del corpo immerso e quella del liquido spostato: si assume che, se le forze peso sono uguali,
anche le masse siano uguali
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Forza e interazione-8b