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Laboratorio per l’Educazione alla Scienza Percorso Didattico su Forze e movimento Attività didattica ADFORZE 3 Forze e Movimento. Traiettoria, Posizione, Velocità, Accelerazione DATA: ..................................................................... SCUOLA: .................................................................. CLASSE: ................................................................... DOCENTE: ................................................................ COGNOME e NOME: ................................................. GRUPPO N°: ............................................................... Città della Scienza ADFORZE3 pag. 1 In questa attività lavoreremo sul rapporto esistente tra forza e movimento. Nel prima incontro abbiamo indagato, in modo qualitativo, sul legame tra la direzione di una forza con le traiettorie di un sistema su cui la forza agisce. Durante questa attività lavoreremo sulla relazione esistente tra forza e grandezze cinematiche (posizione, velocità e accelerazione) nel caso del moto rettilineo utilizzando con corpi rigidi (che tratteremo come punti materiali), con l'aiuto di trasduttori di moto e di forza in linea al computer. 1. ESPLORAZIONI SU DIREZIONE DELLA FORZA E DELLA VELOCITÀ, domanda introduttiva. Analizziamo i seguenti casi: - mettere un carrello in movimento in assenza d’attrito - fermare un corpo - mantenere un corpo in movimento a velocità costante in assenza d’attrito - mantenere un corpo in movimento a velocità variabile - mantenere un corpo in moto circolare uniforme - mantenere un corpo in movimento su traiettoria curvilinea 2. MOTO CIRCOLARE UNIFORME. 2.1) Esperimento - Sferetta di piombo attaccata al filo elastico. a) Descrivi l’esperimento che abbiamo realizzato sul movimento circolare. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) Disegna, in corrispondenza dei punti A,B,e C, la direzione della velocità della sferetta e la direzione della forza del filo. Disegna la traiettoria della sferetta nell’ipotesi che il filo venga bruciato nell’istante in cui la sferetta è in D. B C A D 3. MOTO CON IL SONAR 3.1) Esperimento - Abbiamo analizzato con il sistema sonar-computer alcuni moti di persone e di carrelli. In riferimento all'urto del carrello contro una parete. Il carrello con molla è inizialmente fermo sulla guida orizzontale. Al tempo t=1s viene spinto (la spinta ha la durata di 0,5 s) e si allontana dal sonar alla velocità di 1m/s. Al tempo t=5s il carrello urta (con la molla) contro il sensore di forza. L'urto carrello- sensore ha la durata di 0,5s. Dopo l'urto il carrello si muove avvicinandosi al sonar alla velocità di 0,7m/s. a) Disegna i tre grafici cinematici e quello dinamico. ADFORZE3 pag. 2 Posizione(m) Città della Scienza 0 0 velocità(m/s) t (seconds) 0 accelerazione(m/s ) 2 t (seconds) 0 forza(N) t (seconds) 0 t (seconds) b) Commenta i tuoi grafici. Quale forza registra il sensore di forza nella configurazione dell’esperimento? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 4. FORZA E MOTO. 4.1) Esperimento - Tira o spingi il blocchetto posto sul tavolo inserendo il dinamometro (o la bilancia dinamometrica da cucina) tra la tua mano e il blocchetto, cerca di far muovere il blocchetto a velocità costante. Abbiamo già visto in una precedente esperienza che in queste condizioni la forza è approssimativamente costante. Ora, mentre il blocchetto è in moto prova ad aumentare la velocità finché la velocità non diventa di nuovo quasi costante. Prova diverse volte: - con due blocchetti di massa diversa; - cercando di ridurre l’intervallo di tempo in cui la velocità aumenta. a) Descrivi in dettaglio ciò che osservi negli intervalli in cui la velocità aumenta. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ Città della Scienza ADFORZE3 pag. 3 ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) Esperimento - Ripeti le esperienze precedenti sostituendo il blocchetto con il carrello. Descrivi in dettaglio ciò che osservi negli intervalli in cui la velocità aumenta o diminuisce. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ c) In ogni caso è sempre necessaria una forza per mettere in moto il carrello? • SI • NO 4.2) Esperimento - Ripeti le esperienze precedenti ponendo sul carrello un’automobilina giocattolo. Descrivi in dettaglio ciò che osservi. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 4.3) In riferimento agli esperimenti 4.1, 4.2 cerca di generalizzare e scrivi delle regole che ti sembra possano descrivere i fenomeni osservati. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .........................................................................................................................................................…... ................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ DISCUSSIONE (APPUNTI) Nella discussione si è parlato delle forze di attrito, del I principio della dinamica e delle forze apparenti che nonostante il nome mostrano il loro effetto e risultano misurabili. a) Descrivi alcune caratteristiche delle forze di attrito con cui abbiamo lavorato. ................................................................................................................................................................ Città della Scienza ADFORZE3 pag. 4 ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) Enuncia il I principio e fornisci almeno due esempi in cui è possibile riconoscerlo. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ c) Rievoca un esperimento nel quale è possibile misurare forze apparenti in un moto traslatorio. ........................................................................................................................................................…… ....................................................................…………………………………………………………… Posizione(m) 5. FORZA VARIABILE: VELOCITÀ E ACCELERAZIONE SU PIANO ORIZZONTALE. 5.1) Esperimento - Negli esperimenti svolti, abbiamo registrato la forza con il sensore di forza, le grandezze cinematiche di posizione, velocità, e accelerazione con il sonar. a) Riproduci i grafici di uno degli esperimenti effettuati e descrivi, facendo riferimento a essi, gli aspetti più significativi. 0 0 velocità(m/s) t (seconds) 0 t (seconds) ADFORZE3 pag. 5 accelerazione(m/s ) 2 Città della Scienza 0 forza(N) t (seconds) 0 t (seconds) ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) Cosa puoi dire dal confronto fra i grafici a(t) e F(t)? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 6. PIANO INCLINATO. 6.1 Esperimento - Discesa lungo il piano inclinato. Abbiamo appena osservato il moto di un carrello lungo un piano inclinato registrando le grandezze cinematiche con il sonar posto in cima al piano. In ciascuna delle prove abbiamo misurato staticamente, con il dinamometro, la componente tangenziale della forza-peso (carrello + pesetti). sonar l h a) Riporta nel grafico l’andamento della posizione del carrello in funzione del tempo e prova a prevedere, a partire da questa, l’andamento del grafico v(t) e a(t). ADFORZE3 pag. 6 Posizione(m) Città della Scienza 0 0 velocità(m/s) t (seconds) 0 accelerazione(m/s ) 2 t (seconds) 0 t (seconds) b) Cosa hai osservato, a parità di inclinazione del piano, al variare della massa (con i pesetti) del carrello? Spiega. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 6.2) Esperimento - Salita e discesa del carrello lungo la guida inclinata. Nell’esperimento che abbiamo realizzato il sonar è in alto, il carrello va su e giù lungo la guida inclinata, e quando è in basso viene spinto su con la mano. In figura abbiamo riprodotto grafici tipici ottenuti con lo stesso esperimento. Città della Scienza ADFORZE3 pag. 7 2.0 Distance (m) 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 7 8 9 10 6 7 8 9 10 Time (seconds) Velocity (m/s) 1.0 0.6 0.2 -0.2 -0.6 -1.0 0 1 2 3 4 5 Time (seconds) Accel (m/s/s) 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0 1 2 3 4 5 Time (seconds) a) Descrivi nel dettaglio l’esperimento che abbiamo realizzato, commentando i grafici in figura, parlando della forza di gravità, della forza impulsiva (spinta con la mano) e della forza di attrito. Quale grafico della forza si ottiene montando il sensore di forza sul carrello? Descrivilo a parole osservando quello dell’accelerazione. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) I dati sperimentali, relativi ai grafici in figura sono: l’accelerazione in salita è 0,38 m/s2, l’accelerazione in discesa è 0,30 m/s2. Qual è l’inclinazione della guida?…………………………………………………………………………………………… ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ c) Il carrello ha una massa di 500g. Qual è l’intensità della forza di attrito? Città della Scienza ADFORZE3 pag. 8 ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 7. MOTO IN PIANO DI UN CORPO SU CUI AGISCE UNA FORZA COSTANTE. m1 sonar m2 Posizione(m) 7.1) Esperimento - Abbiamo appena osservato il moto rettilineo di un carrello su cui agisce una forza trainante costante. a) Prova a disegnare l’andamento qualitativo dei grafici che ti aspetti rappresentino la posizione (distanza dal sonar), velocità, accelerazione in funzione del tempo. 0 0 velocità(m/s) t (seconds) 0 accelerazione(m/s) t (seconds) 0 t (seconds) b) Rappresenta nella figura in alto le forze (interazioni) tra i diversi sistemi interagenti: carrellofilo; carrello-guida orizzontale; pesetto-filo. Qual è il ruolo della carrucola? Cosa succede se: a)c’è attrito tra filo e carrucola; b)non c’è attrito tra filo e carrucola; c)la carrucola non è libera di ruotare. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ c) Nell’esperimento osservato, come caratterizzare il moto di rotazione della carrucola durante la discesa del pesetto? Di rotazione con velocità angolare costante Di rotazione con accelerazione angolare costante Città della Scienza ADFORZE3 pag. 9 Altro (specificare). ………………………………………………………………………………………………………… ................................................................................................................................................................ d) Descrivi il sistema carrello-filo-carrucola-pesetto-Terra. - In termini di catena di interazione trascurando l’attrito. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ - Dove intervengono forze d’attrito? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ - Quanto vale la forza di trazione? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ - Il modulo dell’accelerazione del carrello è uguale a quello dell’accelerazione del pesetto? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ - Che tipo di moto è quello del pesetto lungo la verticale? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ e) Se aumenta m1 l’accelerazione aumenta o diminuisce? ............................................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................................… f) Se aumenta m2 l’accelerazione aumenta o diminuisce? ............................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... g) Riporta nella tabella 1 i dati dell’esperienza che abbiamo svolto; elabora questi dati e compila la tabella 2. m1 [kg] m2 [kg] a [m/s2] Fp= m2g [N] Fp/a [kg] F=( m1+ m2)a [N] (Fp- F)/ Fp h) Se l’attrito è trascurabile, la forza esterna agente sul sistema è la forza peso Fp, come mai l’accelerazione del sistema è diversa da quella di gravità? ................................................................................................................................................................ i) Cosa rappresenta la forza F? ................................................................................................................................................................ DISCUSSIONE (APPUNTI) a) Riporta sinteticamente i concetti più importanti emersi nella discussione ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ Città della Scienza ADFORZE3 pag. 10 ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ b) Enuncia il II principio della dinamica in riferimento all’esperimento realizzato. in formule ...................................................................................................................... a parole ……...................................................................................................................................….. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ c) Supponiamo di lanciare un pezzo di stucco sul carrello in moto. Come varierà il moto? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ d) Supponiamo di avere una guida orizzontale molto lunga, in assenza di attrito, mentre il carrello è in moto viene istantaneamente bruciato il filo. Con che moto si muoverà il carrello? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 8. FORZA, POSIZIONE, VELOCITÀ E ACCELERAZIONE NELL’OSCILLATORE ARMONICO. Esperimento - Nell’esperimento che abbiamo realizzato la molla è attaccata al sensore di forza e il sonar è in basso e “guarda” il pesetto attaccato alla molla andare su e giù. I grafici in figura sono stati ottenuti realizzando, in modo analogo, lo stesso esperimento. 0.60 2 0.59 0.58 1 Acceleration (m/s/s) Distance (m) 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53 0.52 0.51 0.50 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 -1 -2 0.0 2.0 0.4 Time (seconds) 0.8 1.2 1.6 2.0 1.6 2.0 Time (seconds) 0.3 2.50 2.39 0.2 2.28 2.17 Force (N) velocity (m/s) 0.1 0.0 -0.1 2.06 1.95 1.84 1.73 1.62 -0.2 1.51 -0.3 0.0 0.4 0.8 1.2 Time (seconds) 1.6 2.0 1.40 0.0 0.4 0.8 1.2 Time (seconds) Descrivi nel dettaglio l’esperimento e, facendo riferimento ai grafici, metti in evidenza il rapporto tra forza e movimento. ................................................................................................................................................................ Città della Scienza ADFORZE3 pag. 11 ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ COMMENTI E RIFLESSIONI SULL'ATTIVITA' SVOLTA ................................................................................................................................................................ .........................................................................................................................................................…... ...........................................................................................................................................................…. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................
