Charles du Fay - Descrivere e Spiegare i Fenomeni Elettrici

Charles du Fay - Descrivere e Spiegare i
Fenomeni Elettrici
1. Titolo e parole chiave
Charles du Fay - Descrivere e Spiegare i Fenomeni Elettrici
Parole Chiave: elettricità statica, repulsione elettrica, attrazione elettrica, Charles du Fay, attrazioneconduttività-repulsione, legge scientifica, teoria scientifica.
2. Autori e istituzioni
Andreas Henke, Università di Brema, Germania
Dietmar Höttecke, Università di Kaiserslautern, Germania
3. Abstract
Questo case study, relativo agli esperimenti di Charles Cisternay du Fay sull'attrazione e la
repulsione elettrostatica e sui diversi tipi di elettricità, è il terzo episodio in una serie che riguarda la
storia dell'elettricità. Il punto principale di questa fase è la riproduzione dei risultati sperimentali del
chimico e ricercatore francese. Questo episodio può essere utilizzato nella didattica per gli studenti
delle scuole secondarie (tra i 12 e i 15 anni).
Gli alunni progettano e svolgono compiti di ricerca ed esperimenti basati sul materiale originale
delle scoperte di du Fay.
Tramite i suoi esperimenti du Fay ampliò la teoria dell'elettrizzazione a tutti i tipi di materiali e
formulò la prima legge generale dell'elettricità. Questa legge comprendeva sia l'attrazione, che a
quel tempo era già nota, che la repulsione elettrostatica basata sul lavoro di Guericke.
Utilizzando l'esempio di questa "Legge" scientifica, gli alunni possono fare esperienza di come le
scienze fisiche arrivino ad affermazioni generali sui fenomeni naturali. Inoltre du Fay trovò prove
dell'esistenza di due diversi tipi di elettricità. Grazie a questa conoscenza, si poté descrivere
facilmente una grande varietà di fenomeni elettrici. Pertanto, gli studenti possono prendere in esame
le "Teorie" e le "Leggi" e differenziarle in base a criteri semplici.
4. Descrizione del Case Study
Si inizia con una breve introduzione ai momenti più importanti nella ricerca sull'elettricità prima
di du Fay (si veda 5.1.1).
Dopo di ciò verrà introdotto du Fay stesso (si veda 5.1.2, fig.2). A questo punto sarà interessante e
istruttivo spiegare che il giardino botanico di cui du Fay era direttore fu un importante centro di
ricerca per scienziati provenienti da tutto il mondo.
Il passo successivo è la dimostrazione dei punti principali della ricerca di du Fay:
1. Quali materiali possono essere elettrizzati?
2. Quali circostanze influenzano l'attrazione o la repulsione dei corpi elettrizzati?
1
e il tipo e l'ambito dei suoi esperimenti (si veda 5.2.3)
1. Egli svolse centinaia di esperimenti, per esempio, cambiando vari materiali da strofinare di
cui stava studiando l'elettrizzazione per strofinio.
2. Cercò regolarità che lo aiutassero a descrivere i fenomeni osservati
3. e provò a spiegare i risultati con una teoria riguardo il tipo di elettricità.
Successivamente, gli studenti conosceranno le due più importanti scoperte di du Fay tramite l'uso
dei suoi testi originali (si veda Materiale 1 e Materiale 2):
1. Regolarità: quando materiali elettrizzati sono messi a contatto con materiali non-elettrizzati,
avviene prima l'attrazione elettrica, poi la conduzione di una certa quantità di elettricità.
Infine, avviene la repulsione elettrica tra i due materiali elettrizzati.
2. Teoria sulla Natura dell'Elettricità: esistono due tipi di elettricità, uno come quella che si
verifica sul vetro strofinato, il secondo come quella che si verifica sulla resina strofinata.
Pertanto, i corpi elettrizzati in modo diverso si attraggono, mentre i corpi similmente
elettrizzati si respingono.
Successivamente, gli studenti possono ricostruire le scoperte di du Fay utilizzando i compiti di
ricerca suggeriti (Materiale 1 e Materiale 2) oppure sviluppando ed eseguendo loro stessi gli
esperimenti collegati.
Il paragrafo 7.1 contiene alcuni suggerimenti per gli esperimenti originali. Essi possono sia
indirizzarsi verso l'approccio di du Fay, più esplorativo, che seguire un processo di ricostruzione
basato sul principio di "Domanda-Ipotesi-Esperimento-Analisi" (si veda 5.2.3).
In ogni caso, le osservazioni e le conclusioni dovrebbero essere attentamente annotate e i risultati
degli studenti dovrebbero essere presentati davanti a tutti.
La differenza fra le due modalità di indagine citate può essere discussa attraverso domande come:
1. In che cosa differiscono i nostri esperimenti da quelli di du Fay?
2. In che modo du Fay arriva ai suoi risultati? Questo è tipico per uno scienziato? È possibile
arrivare alla conoscenza scientifica anche in altri modi?
I risultati che du Fay e gli studenti raggiungono attraverso questi esperimenti, offrono un'ottima
opportunità per spiegare i diffusi fraintendimenti sul significato dei concetti di "Legge" e "Teoria".
Una descrizione completa di come questi concetti differiscono l'uno dall'altro e perché le scoperte di
du Fay sono buoni esempi di questo genere di conoscenza può essere trovata nel paragrafo 5.2.2.
Domande per stimolare la discussione potrebbero essere:
• I due risultati finali della ricerca di du Fay furono: la legge dell'Attrazione-ConduttivitàRepulsione e la teoria dei due tipi di elettricità. In cosa differiscono questi due risultati?
• Esistono diversi tipi di conoscenza nella scienza. Per esempio, esistono leggi e teorie. Quale
si adatta meglio ai risultati di du Fay?
2
I risultati della riflessione possono essere consolidati attraverso una corrispondenza fittizia con du
Fay. (si veda Materiale 3).
5. Contesto
5.1 Storia
5.1.1 Ricerca sull'elettricità negli anni tra Guericke e du Fay
Tra gli ultimi esperimenti di Guericke (intorno al 1670) e l'inizio delle ricerche di du Fay (che
avvennero quasi contemporaneamente a quelle di Stephen Gray) passarono quasi sessanta anni.
Durante questi sessant'anni, nuove ricerche contribuirono alla costruzione di una teoria sui
fenomeni elettrici.
Nel 1694 Robert Boyle confermò l'opinione di Guericke secondo la quale l'energia elettrica deve
essere in grado di agire nel vuoto e richiamò l'attenzione sul ruolo delle caratteristiche delle
superfici dei corpi strofinati.
Verso il 1700, un certo dottor Wall riportò le sue dolorose esperienze con l'elettricità e inoltre
classificò la scarica elettrica tra i fenomeni elettrici, mentre prima veniva intesa come un'accensione
dello zolfo o di altri vapori. Sospettò che scariche elettriche avvenissero nei pressi di fenomeni
come fulmini e tuoni.
Nello stesso periodo, si verificava che il vetro è un materiale eccellente per l'elettrizzazione - prima
da parte di Newton (1675), poi da parte di Francis Hauksbee.
Quest'ultimo viene accreditato come il vero inventore della macchina elettrostatica, intorno al 1700.
Basata su una palla di vetro rotante, la macchina elettrostatica derivava dall'idea di Guericke, ma
produceva risultati molto più forti rispetto allo zolfo, come Hauksbee stesso notò. Questa macchina,
però, venne quasi dimenticata e dovette attendere quasi quarant'anni prima di essere reinventata.
Comunque, questa reinvenzione fu un grande successo: la macchina elettrostatica per strofinio, in
tutte le sue possibili varianti, divenne lo strumento standard della ricerca in elettrostatica.
5.1.2 Charles François de Cisternay du Fay (1698 –1739, Parigi)
Du Fay apparteneva ad una famiglia nobile. Dopo un breve periodo nell'esercito, cercò di
intraprendere una carriera accademica. Probabilmente grazie ad un appoggio importante, ottenne
una posizione accademica come chimico nel 1723. La sua ulteriore carriera fu tanto difficile quanto
breve: nel 1731 divenne membro a pieno titolo dell'Accademia delle Scienze e nel 1732, oltre a
questo, divenne direttore del Giardino Botanico Reale di Parigi (Jardin du Roy). Tuttavia, non poté
ricoprire questo ruolo per lungo tempo: morì alla giovane età di 40 anni, di vaiolo.
Nei sette anni della sua direzione, fece tornare il Giardino ad essere uno dei più importanti centri di
ricerca d'Europa, dotato di notevoli risorse e importante per l'organizzazione di conferenze.
5.1.3 La ricerca di du Fay
Un riassunto dei risultati di du Fay:
• Tutti i corpi possono essere elettrizzati per strofinio. Le eccezioni sono i metalli e i materiali
morbidi o liquidi. ([1], p. 28 in alto, 29 in fondo)
•
Tutti i corpi, inclusi i metalli, possono essere elettrizzati per contatto. ([1], p. 29, par. 3)
3
• Esistono due stati di elettrizzazione, uno vetroso e uno resinoso. ([1], p. 31)
• I corpi elettrizzati con elettricità vetrosa attraggono i corpi elettrizzati con elettricità resinosa
e respingono quelli che sono stati elettrizzati con elettricità vetrosa. ([1], p. 31)
• L'elettricità che è stata condotta su un corpo è dello stesso tipo di quella del corpo d'origine.
([1], p. 32, par. 2)
• Il vetro è un buon isolante tanto quanto la seta.
• Corde umide conducono l'elettricità meglio di quelle asciutte. ([1], p. 29, par. 6)
Gli ultimi tre punti sono aggiunte dirette o risposte agli esperimenti che Stephen Gray aveva
condotto poco prima di du Fay.
Du Fay si chiese quando esattamente si manifesta l'attrazione e quando la repulsione e quali
circostanze sono responsabili dell'uno o dell'altro processo.
La strategia di du Fay fu di variare i diversi parametri: il tipo di elettrizzazione dei corpi (strofinio,
trasmissione di elettricità), il livello di elettrizzazione, la grandezza dei corpi elettrizzati, il loro
materiale e la composizione della superficie sottostante. In centinaia di esperimenti, variò la
distanza tra i corpi e studiò l'influenza di altri corpi che erano nelle vicinanze. Nonostante l'ampia
portata dei suoi esperimenti, il problema fu davvero molto più difficile da risolvere rispetto ai
precedenti. I risultati rimasero confusi e non contribuirono a creare una regolarità coerente.
Un' iniziale regolarità: "Attrazione-Conduttività-Repulsione"
In alcuni esperimenti di elettrizzazione divenne evidente una regola: quando un corpo elettrizzato
attraeva un corpo non-elettrizzato e il corpo non-elettrizzato si avvicinava tanto da elettrizzarsi per
trasferimento, l'attrazione regrediva in repulsione e il corpo che inizialmente era stato attratto si
allontanava nuovamente. Questa regola era chiaramente valida molto in generale e poteva rendere
comprensibili molti effetti. Allo stesso tempo, comunque, questa regola era anche esplicitamente
limitata alle coppie di corpi di cui uno era stato elettrizzato dall'altro. Per tutti gli altri casi, le
circostanze continuavano ad apparire confuse e apparentemente casuali.
L'esperimento critico:
Nel corso dei successivi esperimenti con questo metodo di variazione, emersero alcune evidenze
chiave per du Fay. Egli sospese un pezzo di foglia d'oro sopra il tubo di vetro e poi avvicinò un
terzo corpo elettrizzato alla foglia d'oro. Se questo terzo corpo era di vetro, allora la foglia d'oro
veniva respinta, ma se questo terzo corpo era fatto di resina copale, la foglia d'oro veniva attratta!
Tale risultato confuse completamente du Fay, ma evidenziò chiaramente che il tipo di materiale era
importante e du Fay seguì questa strada a lungo. I risultati furono sempre più sorprendenti e
dimostrarono una chiara dipendenza dal tipo di materiale usato.
La conclusione:
Alla fine, ciò portò du Fay ad una proposta radicale: invece di elettricità in generale, si dovrebbe
parlare di due elettricità. In tal modo, vale la regola che un corpo elettrizzato allontana tutti quei
corpi che possiedono la stessa elettricità, ma allo stesso tempo esso attrae quei corpi che
possiedono l'altro tipo di elettricità. Inoltre, come mostrano gli esperimenti, entrambe le elettricità
conservano il loro carattere anche quando si trasferiscono ad altri corpi.
4
I risultati di du Fay mostrarono che il tipo di elettricità che acquista un corpo quando viene
strofinato dipende dal materiale di cui questo corpo è fatto. Pertanto la differenziazione tra le due
elettricità portò anche ad una divisione di tutti i materiali in due gruppi e le elettricità potevano
prendere il nome dai materiali più significativi in ogni gruppo. Pertanto du Fay parlò di elettricità
vetrosa o resinosa.
Con questi nuovi termini du Fay, come egli stesso dichiarò, poté da quel momento comprendere
non solo i suoi molti esperimenti sull'attrazione e la repulsione elettrica, ma anche quelli degli altri
ricercatori.
I suoi risultati costituirono una proposta radicalmente innovativa con implicazioni su molti piani.
Non solo du Fay poté domandarsi se la sua classificazione dei materiali desse indicazioni su
proprietà ancor più fondamentali della materia, ma inoltre, più direttamente, il campo dell'elettricità
si presentava ormai sotto una prospettiva totalmente diversa, almeno per du Fay. [Si veda 3]
Una teoria:
Anche se du Fay non aveva una spiccata propensione teorica, sviluppò una teoria per spiegare
questo comportamento, secondo la quale esistevano due diversi fluidi elettrici, non percettibili
visivamente, né di alcun peso. Oggetti carichi in modo neutro avrebbero avuto una quantità uguale
di entrambi i fluidi che si sarebbero neutralizzati l'un con l'altro. Se strofinato, un oggetto avrebbe
perso uno di questi fluidi e trattenuto un eccesso dell'altro.
5.2 Apprendimento sulla natura della scienza
5.2.1 La Legge di Attrazione-Conduttività-Repulsione
Durante la sua ricerca, du Fay condusse un gran numero di esperimenti simili sull'attrazione
elettrica, nei quali variava soltanto alcuni parametri (peso, intensità di elettrizzazione, distanza ecc.).
Soltanto così poté determinare la Legge di Attrazione-Conduttività-Repulsione come il minimo
comune denominatore dei suoi esperimenti.
Rispetto al principio di Attrazione-Conduttività-Repulsione, du Fay definì la sua proposta riguardo
all'esistenza di due tipi di elettricità come qualcosa di "anche più generale e più curioso".
Du Fay non avrebbe ravvisato questa necessità con il solo esperimento della foglia d'oro. Ebbe
bisogno di tutti i suoi precedenti esperimenti per verificare che attrazione e repulsione dipendevano
dal materiale che veniva esaminato. Questa Teoria poté anzitutto essere verificata tramite la
descrizione di tutti i fenomeni già noti ed effettivamente indagati. Se du Fay non avesse già svolto
tale molteplicità di ricerche, non avrebbe ritenuto significativa questa teoria.
La ricerca di regolarità e somiglianze nei fenomeni è uno (ma non l'unico!) metodo di base nella
scienza, che mira a fare affermazioni di carattere generale sui fenomeni stessi. Una regola, un
principio, o una legge è un' affermazione di questo tipo. Inoltre, con la conoscenza acquisita in
questo modo, possono essere fatte previsioni circa i processi naturali che rientrano nell'ambito di
queste affermazioni.
Nel processo di sviluppo e verifica di affermazioni scientifiche come leggi o teorie, la semplicità del
principio, l'ambito di applicazione, nonché la funzione attiva nel corso della ricerca giocano un
ruolo decisivo. Di ugual valore sono i fattori sociali, come il livello di consenso tra gli scienziati, la
credibilità dei suoi sostenitori e l'apprezzamento dello scienziato e della sua ricerca.
5.2.2 Sulla distinzione tra Leggi e Teorie
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La maggior parte degli studenti usa questi termini in modo intuitivo o colloquiale, il che non è
coerente con il loro significato in ambito scientifico e può portare ad una vasta gamma di problemi
nella comprensione. Il metodo suggerito per distinguere tra leggi e teorie è l'uso della seguente
tabella:
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Leggi
DESCRIVONO
Teorie
SPIEGANO
Processi che avvengono in Natura (COME)
(talvolta in modo matematico)
Processi che avvengono in Natura (PERCHE')
Esempio: La teoria delle due elettricità spiega
perché i corpi elettrizzati attraggono alcuni altri
corpi elettrizzati, ma ne respingono altri.
Esempio: La legge di attrazione-conduttivitàrepulsione descrive ciò che accade quando corpi
elettrizzati vengono a contatto con altri corpi.
Esempio: La teoria delle due elettricità spiega
perché attrazione e repulsione dipendono dal
materiale che viene strofinato.
Vengono spesso scritte in questa forma "SE...
ALLORA"
Vengono spesso scritte in questa forma "...
succede, perché..."
Esempio: " Se un corpo elettrizzato tocca un altro
corpo, allora..."
Esempio: "Corpi elettrizzati dal vetro attraggono
corpi elettrizzati con la resina, PERCHE' molto
probabilmente esistono due diverse elettricità."
NE' L'UNA NE' L'ALTRA sono osservazioni dirette o dati,
ma sono piuttosto stabilite dagli scienziati attraverso l'interpretazione delle osservazioni e dei dati.
Rappresentano REGOLARITA' nelle osservazioni e
nei dati
Esempio: attrazione-conduttività-repulsione
avvenivano in molti degli esperimenti di du Fay
Rendono possibili le previsioni nelle procedure dove
vengono applicate
Permettono numerose e estese previsioni, che
possono quindi essere provate attraverso la
sperimentazione.
Esempio: la legge di attrazione-conduttivitàrepulsione permette di prevedere cosa avverrà
quando un corpo elettrizzato tocca un altro corpo.
Esempio: la teoria dei due tipi di elettricità spiega
anche osservazioni fatte da altri scienziati in
esperimenti molto diversi.
Richiede un lavoro molto duro e una buona capacità
di osservazione da parte degli scienziati, poiché essi
devono trovare regolarità in molti fenomeni diversi
osservati.
Richiede una gran quantità di CREATIVITA' da
parte degli scienziati, dato che una buona
spiegazione non esiste nelle osservazioni stesse.
Gli scienziati devono essere in grado di elaborare
delle spiegazioni che concordino con le loro
osservazioni.
Esempio: du Fay condusse centinaia di esperimenti
prima di riuscire a determinare la legge di
attrazione-conduttività-repulsione come una
caratteristica comune tra alcuni esperimenti.
Esempio: l'assunzione che potevano esistere due
tipi di elettricità non può essere ottenuta
direttamente dalle osservazioni di du Fay durante
i suoi esperimenti. Egli dovette interpretarle ed
elaborare una possibile spiegazione.
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Hanno soltanto un'applicazione LIMITATA a
particolari fenomeni o situazioni.
Sono spesso INCOMPLETE, poiché spiegano
certi fenomeni e non altri.
Esempio: la legge di attrazione-conduttivitàrepulsione non è valida per i magneti (sebbene
anch'essi dimostrino attrazione e repulsione).
Esempio: la teoria delle due elettricità spiega
perché attrazione e repulsione dipendono dal tipo
di materiale che viene strofinato, ma non il motivo
perché a volte corpi carichi rimangono attaccati
l'un con l'altro (induzione).
Esempio: la legge di attrazione-conduttivitàrepulsione non può essere applicata ai gas, ma solo
ai solidi.
Sono PROVVISORIE e NON DIMOSTRABILI DEFINITIVAMENTE.
Semplicemente mettono d'accordo le osservazioni oppure no,
o fanno previsioni che si verificano oppure no.
Così è chiaro che:
• Una Teoria NON è una Legge non ancora dimostrata
• Le Teorie NON diventano Leggi; le Leggi NON diventano Teorie
• La natura (e gli scienziati!) non sono categoricamente limitati una volta che sono state
stabilite delle leggi scientifiche e non ci sono sanzioni se queste leggi non vengono seguite.
• Le Leggi non devono essere valide per tutto il tempo, o in ogni situazione, o ovunque
nell'universo (verificare ciò sarebbe evidentemente una quantità infinita di lavoro).
• Leggi e Teorie si basano su dati, ma richiedono l'interpretazione dello scienziato
5.2.3 L'approccio di du Fay e gli esperimenti per le scuole
L'applicazione di questo case study per l'insegnamento scientifico può essere fortemente diversa dal
modo in cui du Fay si avvicinò ai suoi esperimenti. In centinaia di esperimenti, du Fay variò la
distanza tra i corpi e studiò l'influenza di terzi corpi che si trovavano nelle vicinanze. Naturalmente,
gli alunni non faranno lo stesso, ma progetteranno esperimenti per verificare ipotesi particolari.
ENTRAMBI i metodi sono metodi scientificamente validi - questo case study può essere usato per
confrontarli effettivamente e dimostrare che entrambi possono portare ad una valida conoscenza
scientifica.
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Du Fay intraprese una sperimentazione
esplorativa (basata sull'indagine):
Gli alunni conducono una sperimentazione
guidata da ipotesi (verificare)
Molti esperimenti che differiscono solo
leggermente l'uno dall'altro vengono
impiegati in una vasta area di indagine,
di modo che, per quanto possibile, non
verrà trascurato nessun effetto e la maggior
parte degli effetti può essere direttamente
attribuita alle circostanze sperimentali.
Tramite una serie di domande piuttosto chiuse
gli alunni condurranno singoli/semplici
esperimenti che sono pensati per verificare le
ipotesi in questione.
Domanda di Ricerca
Cosa influenza la forza fra i corpi
elettrizzati?
Domande di Ricerca
- Esistono tipi diversi di elettricità?
- C'è una regolarità nei processi che avvengono
quando corpi carichi sono portati vicini?
6. Pubblico di riferimento, utilità curriculari e considerazioni didattiche
Il case study sugli esperimenti di Charles du Fay riguardanti i processi elettrici è il terzo episodio in
una serie che riguarda la storia dell'elettricità. Questo episodio è adatto per studenti tra i 12 e i 15
anni. L'insegnamento riguardo all'elettricità gioca un ruolo importante in fisica e in didattica della
fisica. I concetti e le idee più importanti possono essere introdotte e consolidate tramite la
trattazione dell'elettrostatica. Ciò minimizza successivi fraintendimenti e difficoltà di
apprendimento nell'insegnamento dell'elettricità. (Ciò è importante anche nella formazione
professionale.) Una trattazione consapevole dei concetti teorici fondamentali in scienza, come
"Legge" e "Teoria" rappresenta una necessità riconosciuta per l'insegnamento delle scienze naturali.
6.1 Abilità e obiettivi didattici
Argomenti di apprendimento
• Attrazione e Repulsione come fenomeni equivalenti di elettrizzazione
• Il termine "carica" per "ciò che viene scambiato"
• Lo sviluppo base di scambi di carica elettrica come "attrazione-conduttività-repulsione"
• Distinzione fra due tipi di elettricità sulla base delle modalità con cui vengono prodotti
• Quantità Q per l'accumulo di carica (e la sua unità di misura "Coulomb")
La natura della scienza
• La conoscenza nella scienza può manifestarsi come descrizioni o spiegazioni di osservazioni
fatte su un gran numero di esperimenti
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• "Legge" e "Teoria" sono due diversi tipi di conoscenza scientifica e non si fondono mai l'una
con l'altra
• "Legge" e "Teoria" possono essere distinte l'una dall'altra tramite proprietà molto precise
(descrizione vs spiegazione, ecc.)
• "Legge" e "Teoria" sono simili in aspetti molto precisi (carattere provvisorio, sono basate su
dati)
7. Risorse per l'insegnamento e l'apprendimento
7.1 Gli esperimenti di Du Fay sulla regolarità dei processi elettrici e sui due possibili tipi di
elettricità
7.1.1 Materiale necessario
• Filo di seta, piccoli pezzettini di sughero, un elettroscopio a pendolo
• Ambra, bacchette di ceralacca, bacchette di vetro, bacchette di PVC, pezzetti di (vera) paglia,
bacchette di legno, bacchette d'acciaio (per esempio quelle delle apparecchiature da
laboratorio)
• Materiali per strofinare: lana, cotone, scampoli di seta, pelliccia di gatto
• Oggetti leggeri: filo di cotone, pezzettini di carta, limatura di ottone (sottoprodotti della
lavorazione di metalli), limatura o polvere di ferro.
7.1.2 Esperimenti e consigli
Gli esperimenti qui descritti contribuiscono ad illustrare e convalidare le ipotesi di du Fay; egli
stesso svolse questi esperimenti allo stesso scopo. Tuttavia, non arrivò a queste ipotesi (attrazioneconduttività-repulsione) attraverso questi esperimenti, ma solo dopo aver condotto centinaia di
esperimenti sull'attrazione e la repulsione elettrica. Gli alunni possono svolgere questi stessi
esperimenti, come un'introduzione al tema, utilizzando vari materiali per strofinare, diverse
sostanze che vengono strofinate e vari corpi da attrarre o respingere. Quando possibile dovrebbero
venire variate la grandezza, la distanza e l'intensità di elettrizzazione.
Esperimento 1: Il Principio di Attrazione-Conduttività-Repulsione
• Un filo di seta viene toccato con un corpo elettrizzato: all'inizio viene attratto e, dopo breve
tempo, appare all'improvviso l'effetto della repulsione. Se il filo di seta è accostato ad un
oggetto messo a terra, il tentativo può essere ripetuto.
• L'oggetto elettrizzato viene avvicinato a materiali leggeri come piume, pezzettini di carta ecc.
su un fondo messo a terra, e i corpi leggeri vengono attratti e respinti in modo alterno.
Consigli per l'esperimento 1:
1. Complessivamente ciò induce l'impressione che davvero viene trasmesso QUALCOSA e
non che sia semplicemente avvenuto un trasferimento di stato. In conclusione l'accumulo di
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carica del corpo elettrizzato sembra diminuire. Ciò può anche essere visto in modo molto
chiaro nell'Esperimento 3.
2. Per dimostrare la sensibilità del filo di seta alle correnti d'aria, e per diminuire questa
sensibilità, può essere attaccato all'estremità del filo una pallina di midollo di sambuco, un
pezzetto molto piccolo di sughero, o un pezzetto di foglio di alluminio appallottolato alla
meglio.
3. Per liberare i pezzettini di carta o le piume, la bacchetta talvolta deve essere scossa
leggermente (come con la palla di zolfo di Guericke).
4. La bacchetta dovrebbe esser elettrizzata solo debolmente così che gli oggetti leggeri possono
essere staccati facilmente.
Esperimento 2: Elettricità di tipo diverso
Due fili di seta vengono elettrizzati tramite una bacchetta di vetro e altri due fili di seta vengono
elettrizzati tramite una bacchetta di ceralacca strofinata o tramite ambra.
Prima di tutto, può essere osservato il principio di attrazione-conduttività-repulsione: per
trasmissione, i fili vengono respinti dalle rispettive bacchette (e inoltre si respingono l'un l'altro).
Tuttavia, se un filo elettrizzato con elettricità vetrosa e uno elettrizzato con elettricità resinosa
vengono avvicinati, essi si attraggono. Quindi, devono esistere due tipi di elettricità, perché
altrimenti ci si aspetterebbe di vedere repulsione anche in questo caso.
Esperimento 3: Attrazione-Conduttività-Repulsione con un filo e/o un elettroscopio a pendolo
La maggior parte degli esperimenti può essere svolta molto bene con un elettroscopio a pendolo (si
veda fig.1).
L'esperimento sul principio di attrazione-conduttività-repulsione può essere ampliato se una
seconda bacchetta carica viene portata dall'altro lato della pallina, dal lato opposto rispetto alla
prima bacchetta. La pallina così oscillerà periodicamente tra l'una e l'altra bacchetta. Questo effetto
non dura molto a lungo se la seconda bacchetta non è elettrizzata, ma è ancora più breve se la
seconda bacchetta è elettrizzata con lo stesso tipo di carica della prima.
Esperimento 4: Indicatore di elettricità resinosa-vetrosa
Viene trasmessa elettricità resinosa o vetrosa a un filo di seta. A questo punto è possibile esaminare
una varietà di corpi elettrizzati in modo diverso, con elettricità vetrosa o resinosa: repulsione
significa che i corpi sono carichi dello stesso tipo di elettricità del filo di seta. Attrazione significa
che sono carichi con l'altro tipo di elettricità.
Consigli per l'esperimento 4:
Du Fay notò, senza avere una chiara spiegazione, che un corpo con una carica debole e un altro con
una carica forte, si attraggono, nonostante siano stati elettrizzati in modo analogo. La sua idea era
che essi si dovessero respingere. (Questo effetto è dovuto all'induzione). Per evitare questi problemi
specificò nelle sue istruzioni che si doveva caricare il più possibile tutti i corpi da esaminare.
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Esperimento 5: L'intensità della repulsione
Una coppia di fili di materiale diverso, ma dello stesso peso, vengono sospesi ad una bacchetta
metallica di modo che siano vicini l'uno all'altro. La bacchetta di metallo dovrebbe essere isolata,
per esempio tenendola appesa con fili di seta. I fili si respingono, di più o di meno a seconda di
quanto sono carichi.
Riferimenti per l'esperimento 5:
In questo esperimento viene utilizzato il principio dell'elettroscopio a filo, che rivela la quantità di
carica, per verificare la capacità dei diversi materiali di essere elettrizzati. Si assume che la carica
sia distribuita uniformemente sulla bacchetta metallica. Il problema è che entrambi i fili devono
avere un peso per lunghezza simile, per consentire un confronto fra le diverse intensità di repulsione.
7.2 Materiale per gli studenti
Materiale 1: attività di ricerca "Due elettricità"
Cherles du Fay scrive
E così, è evidente che corpi che vengono elettrizzati per contatto respingono quei corpi che li hanno
elettrizzati. Sarà altrettanto vero che essi vengono respinti da tutti gli altri corpi elettrizzati a
prescindere dal tipo? Ed è vero che corpi che sono stati elettrizzati differiscono l'uno dall'altro
soltanto nell'intensità della loro elettrizzazione? Indagare su queste domande mi ha portato ad una
scoperta che non mi sarei mai aspettato e di cui, credo, che nessuno abbia ancora avuto la benché
minima idea.
Si nota che esistono due tipi di elettricità molto diversi e che questi sono chiaramente quelli dei
corpi solidi, come vetro o cristallo, ecc., come anche catrame o materiali simili alla resina, come
ad esempio l'ambra, la resina lacca, la ceralacca, ecc. Tutti questi corpi respingono quei corpi la
cui elettricità è dello stesso tipo e attraggono tutti quelli che sono del tipo opposto.
Corpi che di per sé non sono elettrizzati possono acquisire entrambi i tipi di elettricità.
Successivamente le loro proprietà diventano le stesse del corpo da cui sono stati elettrizzati.
Compiti
Leggi ciò che du Fay ha scritto riguardo alla sua ricerca e rispondi alla seguente domanda: Quali
"indagini" intraprese du Fay?
Con i materiali forniti, esegui il tuo esperimento con cui puoi dimostrare ciò che scoprì du Fay.
(Devi pensarlo da solo; il risultato non si trova nel testo):
• Poni una chiara domanda di ricerca a cui cercherai di rispondere con un'indagine
• Pensa degli esperimenti che ti aiutino a rispondere alla domanda
• Annota le tue osservazioni mentre conduci l'esperimento
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• Interpreta le tue osservazioni: esse rispondono alla domanda o è necessario condurre
ulteriori esperimenti?
• Presenta la tua indagine (domanda di ricerca, esperimenti, osservazioni, risultati) alla classe.
Testo e compiti di ricerca tratti da: du Fay, sulla Teoria delle Due Elettricità e i relativi compiti.
Testo di du Fay tratto da: Philosophical Transactions, Vol.38 (1735), p. 263, du Fay, traduzione
adattata.
Materiale 2: attività di ricerca " Attrazione-Conduttività-Repulsione "
Cherles du Fay scrive:
E così, è evidente che corpi che vengono elettrizzati per contatto respingono quei corpi che li hanno
elettrizzati. Sarà altrettanto vero che essi vengono respinti da tutti gli altri corpi elettrizzati a
prescindere dal tipo? Ed è vero che corpi che sono stati elettrizzati differiscono l'uno dall'altro
soltanto nell'intensità della loro elettrizzazione? Indagare su queste domande mi ha portato ad una
scoperta che non mi sarei mai aspettato e di cui, credo, che nessuno abbia ancora avuto la benché
minima idea. Ho scoperto un principio molto semplice che può spiegare un gran numero di
irregolarità che sembrano accompagnare la maggior parte degli esperimenti nel campo
dell'elettricità. Questo principio afferma che i corpi elettrizzati attraggono tutti quei corpi che non
sono elettrizzati. Questi ultimi poi diventano elettrizzati per contatto, o stando molto vicini ai corpi
elettrizzati. Dal momento che entrambi i corpi sono elettrizzati, essi si respingono. Se questo
principio viene applicato a vari esperimenti nel campo dell'elettricità, si rimane stupiti dal numero
di irregolarità e fenomeni misteriosi che può spiegare!
Compiti
Leggi ciò che du Fay ha scritto riguardo alla sua ricerca e rispondi alle seguenti domande:
1. Quali "indagini" intraprese du Fay?
2. Quali sono i risultati di du Fay?
Con i materiali forniti, esegui il tuo esperimento con cui puoi dimostrare ciò che scoprì du Fay.
(Devi pensarlo da solo; il risultato non si trova nel testo):
• Poni una chiara domanda di ricerca a cui cercherai di rispondere con un'indagine
• Pensa degli esperimenti che ti aiutino a rispondere alla domanda
• Annota le tue osservazioni mentre conduci l'esperimento
• Interpreta le tue osservazioni: esse rispondono alla domanda, o è necessario condurre
ulteriori esperimenti?
• Presenta la tua indagine (domanda di ricerca, esperimenti, osservazioni, risultati) alla classe.
Testo e compiti di ricerca tratti da: du Fay, sulla Legge di Attrazione-Conduttività-Repulsione e i
materiali collegati.
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Testo di du Fay tratto da: Philosophical Transactions, Vol.38 (1735), p. 263, du Fay, traduzione
adattata.
Materiale 3: attività di scrittura - Du Fay ha bisogno di aiuto
Immagina di ricevere la seguente lettera da du Fay:
Mio caro collega stimato,
sono sicuro che hai sentito dei sorprendenti risultati a cui sono arrivato attraverso molti
esperimenti.
Tuttavia ti riassumo:
1. Le mie osservazioni sui corpi elettrizzati possono essere descritte molto bene con la legge
generale di Attrazione-Conduttività-Repulsione.
2. Sono certo che tutte le mie osservazioni possono essere spiegate con l'esistenza di due tipi di
elettricità.
Forse, potrei gentilmente chiedere il tuo aiuto:
Poco tempo fa è stato suggerito che nella scienza esistono leggi e teorie.
Trovo che questa sia una meravigliosa idea! Comunque, non sono sicuro di come dovrei
classificare i risultati sopra esposti. Quale si identifica più con una legge e quale più con una
teoria? E come dovrei giustificare questa affermazione? Temo che se pubblicassi qualcosa di
scorretto, danneggerebbe la mia reputazione e quindi ti sarei eternamente grato se tu mi aiutassi a
classificare correttamente i miei risultati.
I miei più cordiali saluti,
Charles du Fay
La tua risposta potrebbe cominciare così:
Caro Amico e Collega,
ho seguito la tua ricerca con grande interesse. Nel linguaggio di tutti i giorni, i termini "Legge" e
"Teoria" vengono spesso intesi in modo molto diverso da ciò che significano nella scienza. Ma i
tuoi risultati possono essere classificati molto facilmente, perché ci sono certe cose che si
applicano per le leggi scientifiche e cose che si applicano per le teorie scientifiche. Cerco di
classificare i tuoi risultati...
Attività di scrittura creativa per il consolidamento del concetto di differenza fra teorie e leggi.
Gli studenti dovrebbero utilizzare le informazioni nella Tabella 5.2.2.
7.3 Materiale grafico
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Fig. 1: Un semplice elettroscopio a pendolo
Fig. 2: Una bacchetta di vetro e un pezzo di resina (copale)
Fig 3: Charles François de Cisternay du Fay (*1698 – †1739, Parigi)
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Fig. 4: Estratto del diario di laboratorio di du Fay
Sulla sinistra l'elenco dei materiali elettrizzabili, sulla destra quello dei materiali non-elettrizzabili.
Man mano che du Fay procedeva con gli esperimenti cancellava con un segno i materiali sull'elenco
di destra e procedeva lungo la lista di sinistra. Fonte: (3)
Fig. 5: Una veduta della stanza degli esperimenti del Giardino Botanico di Parigi (Jardin
du Roi)
L'opera di du Fay nel Giardino Botanico comportò che famosi scienziati, anche molti anni dopo la
sua morte, si recavano lì a fare ricerca e a tenere conferenze pubbliche. Fonte: (3)
Fig 6: Anfiteatro del Giardino Botanico
Lezioni di scienze naturali venivano tenute anche qui.
Fonte: http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/btv1b7744334r
8. Difficoltà per l'insegnamento e l'apprendimento
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Diversi tipi di ricerca
Spesso molti studenti mostrano tipiche lacune nella conoscenza dei fondamenti teorici della scienza,
inclusa la scarsa conoscenza sui diversi tipi di ricerca - cosa che è evidenziata in questo case study a
causa della loro scarsa competenza sulla differenza fra sperimentazione esplorativa e
sperimentazione condotta tramite ipotesi. In questo case study può venir menzionato che i
ricercatori si approcciano al loro lavoro in modo diverso a seconda degli obiettivi che si
propongono (Scoperta o Verifica).
Inoltre, gli studenti spesso hanno inizialmente un'idea, di concetti come "teoria" e "legge", basata
sul linguaggio colloquiale e che spesso non ha niente a che vedere con il loro effettivo significato
nella scienza. Ciò porta spesso a idee inappropriate sullo sviluppo e la validità della conoscenza
scientifica. Nel paragrafo 5.2.2 vengono presentate semplici caratteristiche ed errori tipici nel
ragionamento di modo che, nel contesto di una riflessione esplicita, possano venire sviluppate idee
appropriate.
9. Riferimenti didattici e metodologici
9.1 Riguardo alla fase sperimentale
A seconda del grado di conoscenza e di esperienza degli alunni, l'insegnante dovrebbe valutare i
tempi nel condurre o controllare il processo di apprendimento. L'insegnante dovrebbe accertarsi che
tutti i gruppi abbiano una chiara linea di indagine con un tipo di domanda di ricerca, a cui intendono
rispondere. Le citazioni originali e i compiti di ricerca (Materiale 1 e 2) saranno delle utili
ispirazioni. La situazione può essere sviluppata ancor più a domande-aperte proponendo agli
studenti, come fenomeni di ricerca, soltanto "attrazione-repulsione-conducibilità" o "l'inaspettata
attrazione di un corpo diversamente carico" e poi permettendo loro di sviluppare proprie linee di
indagine, ipotesi, esperimenti e spiegazioni.
9.2 Guida per le regolazioni fini
• Distribuire i compiti di ricerca insieme alla figura 1 o alle figure 1 e 2.
• Mostrare l'esperimento critico di du Fay (si veda 5.1.3) sui due diversi tipi di elettricità.
• Suggerire o costruire più esperimenti (Esperimenti 1-4)
9.3 Attività di riflessione: la differenza fra teorie e leggi
In una prova di questo case study, la riflessione è stata avviata tramite un compito basato sulla
tabella nel paragrafo 5.2.2. La struttura del compito era la seguente:
1. Gli studenti disegnano una tabella con le intestazioni delle colonne "Teorie" e "Leggi"
2. Poi gli studenti ordinano le caratteristiche generali delle teorie e delle leggi nelle colonne
corrette in base alle loro stesse valutazioni. Un metodo potrebbe essere di distribuire delle
schede agli studenti con una caratteristica su ogni scheda.
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3. Dopo di che gli studenti cercano esempi appropriati dalla tabella nel paragrafo 5.2.2 e
sistemano le caratteristiche generali delle leggi e delle teorie di conseguenza. Ricevono gli
esempi sotto forma di singole carte con un esempio su ognuna.
4. In gruppi, gli studenti sviluppano una tabella mettendo insieme tutti i loro risultati
individuali.
5. I gruppi presentano le loro tabelle e discutono le differenze fra queste con l'insegnante.
Il compito dell'insegnante è di guidare la discussione e di intervenire solamente con
domande quando ci sono dei gravi errori nella comprensione.
In questo modo si può essere sicuri che tutti gli studenti condividono le loro idee sui due tipi di
conoscenza, fornendo un sostegno sufficiente affinché ciò non sia frustrante o troppo difficile.
Inoltre, tutti i criteri teorici rilevanti devono essere valutati singolarmente e abbinati con i rispettivi
esempi presi dalla ricerca di du Fay.
10. Ulteriori riferimenti
[1] Geschichte und gegenwärtiger Zustand der Elektricität, nebst eigenthümlichen Versuchen.
Priestley, Joseph (Naturforscher) *1733-1804*. - Reprint aus dem Jahre 1772, nach der 2.,
vermehrten und verb. Ausg. - Hannover : Ed. "libri rari" Schäfer, 1983
[2] A Letter from Mons. Du Fay, F. R. S. and of the Royal Academy of Sciences at Paris, to His
Grace Charles Duke of Richmond and Lenox, concerning Electricity. Tradotto dal francese da T. S.
M D.
Tratto da: Philosophical Transactions (1683-1775), Vol. 38, 1753
[3] Exploratives Experimentieren - Charles Dufay und die Entdeckung der zwei Elektrizitäten.
Friedrich Steinle in Physik Journal, 3 (2004) N°. 6
[4] I. Bernard Cohen (1951). Guericke and Dufay. Annals of Science, 1464-505X, Volume 7,
Edizione 2, Pagine 207 – 209I. Bernard Cohen (1951). Guericke and Dufay. Annals of Science,
1464-505X, Volume 7, Edizione 2, Pagine 207 – 209
[A] I risultati sperimentali di du Fay e alcuni passi tratti da il suo "A Discourse concerning
Electricity" tratto da Philosophical Transactions
http://www.sparkmuseum.com/BOOK_DUFAY.HTMhttp://www.sparkmuseum.com/BOOK_DUF
AY.HTM
[B] Un articolo che descrive il lavoro di du Fay sulla doppia rifrazione nei cristalli - anche in questo
caso tramite centinaia di accurati e controllati esperimenti.
ADOLF PABST (1932). CHARLES-FRANCOIS DU FAY, A PIONEER IN CRYSTAL OPTICS.
American Minerologist, Volume 17, pages 569-572
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