Versione 2.0 – 22 settembre 2006
Avvertenza
Il presente testo è da considerarsi come documento di
lavoro.
Vi invitiamo pertanto a voler segnalare eventuali errori e
imprecisioni al seguente indirizzo
[email protected]
Scienze
naturali
Il movimento
Scuola media
Classe IV
Giubiasco, settembre 2006
1
Il movimento e le forze
Piano di svolgimento – attività e tempi
Unità
Attività
Il computer da bicicletta
•
•
•
Scoprire come funziona il computer
L'installazione del computer
Taratura del computer
•
•
•
•
•
La lettura delle funzioni del computer
La distanza percorsa misurata dal computer
Il tempo impiegato a percorrere una distanza
La velocità media sul computer
La velocità istantanea sul computer
•
•
•
•
•
Studio del movimento di un pedone e di un ciclista
La conversione delle unità di misura della velocità
2h
Studio del moto di una biglia sul piano inclinato
L'accelarazione di gravità
4h
•
•
•
•
•
Introduzione al concetto di forza
La forza peso e la massa di un corpo
La caduta libera dei corpi
Smontiamo una bilancia casalinga
Studiamo il suo funzionamento
2h
La velocità
Lo studio del moto di un corpo
L'accelerazione
Le forze
La bilancia casalinga
Verifica scritta
Tempo
previsto
2h
2h
2h
2h
Verifica
TOTALE
16 h
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SOMMARIO
1. Il moto ............................................................................................................................
1.1.
Introduzione ..................................................................................................... 4
2. Scopriamo come funziona un computer da biciclettta ...............
2.1..
2.2.
2.3.
2.4.
2.4.1
2.4.2
4
4
Gli accessori del computer da bicicletta .................................................... ...... 4
L'installazione del computer ............................................................................. 5
Immissione delle dimensioni della ruota e dell'unità di misura della velocità .. 5
Le funzioni del computer .................................................................................. 6
Alcune informazioni costantemente presenti sul visore del computer .............. 6
Le funzioni visualizzabili sequenzialmente ...................................................... 7
3. La velocità di spostamento
...................................................................... ...... 8
4. Il moto accelerato .................................................................................................... 11
5. Le forze
.................................................................................................................. ....... 10
5.1.
Introduzione ...................................................................................................... 14
5.2.
La forza peso ..................................................................................................... 15
6. La bilancia casalinga ............................................................................................ 11
3
Macchine e movimento
1. Il moto
1.1. Introduzione
Per rendere il tema più accattivante si è pensato di introdurre lo studio del moto coinvolgendo i
ragazzi nell'installazione e nell'uso corretto di un computer da bicicletta.
Lo scopo è di raggiungere gli obiettivi del programma facendo emergere situazioni problema che
affioreranno durante tale lavoro permettendo di introdurre il concetto generico di velocità.
Al momento di studiare il funzionamento del computer da bicicletta nascerà spontanea la
necessità di caratterizzare le differenze fra velocità media e velocità istantanea.
Sul mercato esistono diversi tipi di computer da bicicletta e taluni possono anche essere montati
sui roller. In ogni caso il costo di un computer da bicicletta con le funzioni necessarie per lo
svolgimento del tema è compreso fra 10 e 20 fr.
È pure necessaria una bicicletta che potrebbe essere quella prestata da un allievo o, se
disponibile, quella del docente.
------------------------------------------------- Prima lezione -------------------------------------------
2. Scopriamo assieme come funziona un computer da bicicletta
2.1. Gli accessori del computer da bicicletta
Per comprendere il funzionamento del computer (il modo con cui il computer rileva la velocità) è
necessario mettere nelle mani degli allievi gli accessori della confezione del computer.
In particolare sarà necessario che gli studenti scoprano che il computer si mette a funzionare non
appena si passa il magnete sul sensore. Nella realtà il magnete, passando vicino al sensore
(avvolgimento di rame ricoperto da materiale plastico), induce una piccola tensione che ne avvia
il funzionamento.
Ripassando una seconda volta il magnete sul sensore il computer visualizza una velocità.
4
2.2. L'installazione del computer
Tutti gli allievi ricevono una copia del manuale d'installazione. Potrebbe essere didatticamente
interessante incaricare un paio di allievi a montare il magnete e il sensore.
Nasceranno spontanee alcune domande come:
A che distanza dal centro della ruota va montato il magnete?
È importante tale distanza sul corretto rilevamento della velocità?
L'allievo deve cominciare a rendersi conto che il passaggio del magnete sul sensore
(indipendentemente dalla distanza a cui è posizionato dal centro della ruota) dovrebbe
corrispondere ad uno spostamento della bicicletta equivalente alla circonferenza della ruota.
A questo punto diventa rilevante osservare che vi sono diversi tipi di bicicletta con ruote di
diverso diametro e quindi di diversa circonferenza.
Si deve quindi adattare il computer alla bicicletta usata!
2.3. Immissione delle dimensioni della ruota e dell'unità di misura della velocità
A tutti gli allievi si distribuisce una copia della procedura scritta nel manuale del computer. È
necessario spiegare che il diametro della ruota è normalmente espresso in Inch o pollice (unità di
misura della lunghezza anglosassone) che corrisponde a 2,54 cm.
Bottone sinistro
Serve ad attivare
l'azzeramento
delle funzioni o ad
attivare una
regolazione del
computer.
Bottone destro
Serve a far scorrere
la visualizzazione
delle funzioni.
Se è stata attivata
una regolazione con
il bottone sinistro
allora serve a
selezionare un
valore.
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Il docente deve accertarsi che le operazioni di configurazione date dal manuale siano comprese
da tutti gli allievi. Poi si assegna ad un paio di allievi l'incarico di inserire le dimensioni della ruota
davanti alla classe con la supervisione del docente. Far verificare ad un gruppo di altri due allievi
il corretto inserimento del diametro della ruota.
----------------------------------------------- Seconda lezione --------------------------------------------
2.4. Le funzioni del computer
Normalmente nei computer da bicicletta vi sono due pulsanti. Il pulsante di destra, ad ogni
pressione, permette di visualizzare una funzione diversa.
Il pulsante di sinistra, tenuto premuto per 2 secondi, consente di attivare le regolazioni della
funzione attiva sul visore digitale.
Tali osservazioni devono dedurle gli allievi dopo una attenta lettura del manuale d'uso che sarà
distribuito a tutti in forma cartacea.
2.4.1. Alcune informazioni costantemente presenti sul visore
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2.4.2. Le funzioni visualizzabili sequenzialmente
ODO
DST
MXS
AVS
TM
SCAN
È necessario fare in modo che gli allievi si familiarizzino con l'uso del computer e la lettura
delle funzioni.
7
3. Le velocità di spostamento
Se per gli allievi è del tutto scontato conoscere la velocità massima che può raggiungere uno
scooter o un motorino non lo è altrettanto conoscere l'ordine di grandezza della velocità di
spostamento di un pedone.
a)
b)
c)
d)
f)
g)
h)
i)
A quale velocità massima si può transitare nell'area urbana?
Quale è la velocità massima consentita sulle strade cantonali?
Quale è la velocità massima consentita sulle autostrade?
Quale è la velocità massima del treno cisalpino?
Quale è la velocità di crociera di un aeroplano di linea?
Quale è la velocità di caduta di un paracadutista?
Quale è l'ordine di grandezza della velocità di spostamento di un pedone?
Quale è l'ordine di grandezza della velocità di spostamento di una bicicletta?
Alle ultime due domande possiamo rispondere sperimentalmente spostandoci sul cortile della
scuola con la classe.
Usando la bicicletta con il computer si incarica un allievo di rilevare la velocità istantanea
accompagnando a piedi la bicicletta per un tratto di 50 m mantenendo la velocità costante.
Stessa operazione può essere realizzata con un allievo che percorre lo stesso tragitto a velocità
costante in sella alla bicicletta.
------------------------------------------------- Terza lezione -------------------------------------------Dividere il precedente percorso sul cortile ogni 10 m marcando con un gesso. Mantenendo la
velocità costante rilevare i tempi impiegati dal pedone a percorre 10m, 20m, 30m, 40m e 50m
(sempre accompagnando la bicicletta).
Ripetere l'operazione con un allievo in sella alla bicicletta.
In ambedue i casi gli allievi che si spostano sul percorso devono cercare di mantenere la velocità
costante controllando che rimanga tale anche sul visore digitale del computer. Annotare questa
velocità.
In classe raccogliere i dati del pedone e del ciclista in due tabelle distinte.
Riportare in un grafico i dati del pedone e constatare che i punti nel grafico sono pressoché
allineati. Tracciare la retta il più coerente possibile.
Riportare nello stesso grafico i dati relativi al ciclista e tracciare la retta.
a) Che differenza esiste fra le due rette tracciate?
b) Quale relazione esiste fra la pendenza della retta e la velocità?
c) È possibile ricavare la velocità dal grafico? Come?
Per poter confrontare la velocità costante rilevata dal computer con quella ricavata dal grafico
m
km
la velocità letta sul computer in
.
dobbiamo essere in grado di convertire in
s
h
Per convertire i
km
h
in
m
è quindi sufficiente dividere il valore espresso in
s
km
per 3,6.
h
Tempo permettendo proporre il seguente esercizio.
Sullo stesso grafico disegnare la retta corrispondente all'ipotetica velocità di uno scooter
che transitava sullo stesso percorso esterno a una velocità costante di 40 km/h.
8
---------------------------------------- Quarta e quinta lezione ------------------------------------------
4. Il moto accelerato
Montare in classe un piano inclinato facendo uso del binario in alluminio di 3m.
Sollevare un lato del binario di circa 5 cm e lasciar scendere un carrellino.
a) La velocità rimane costante durante la discesa?
Analogamente a quanto è stato fatto con la precedente esperienza raccogliere in una tabella il
tempo impiegato dal carrellino a percorre 0,5m, 1m, 1,5 m 2m, 2,5 m e costruire il grafico s(t).
Subito ci si accorge che rispetto alla precedente situazione non siamo in presenza di una retta
bensì di una curva.
Si faccia notare che in questa esperienza, rispetto alla precedente con moto rettilineo uniforme,
la velocità continua a cambiare.
b) È possibile ricavare la pendenza di una curva? Perchè?
Nel grafico precedente per ricavare la velocità si è calcolato la pendenza della retta.
In questa esperienza la velocità continua a cambiare in ogni punto della curva.
c) È possibile calcolare la pendenza un punto?
d) Come sarebbe possibile costruire una retta che passa solo per un punto della curva?
Da un punto di vista geometrico esiste una sola retta passante per un punto della curva: la
tangente al punto.
Quindi per ogni tangente passante per i punti della curva del grafico è possibile ricavare la
pendenza che, per analogia alla precedente esperienza, corrisponde alla velocità istantanea del
carrellino in quel punto.
Ogni allievo sceglie 2 punti a caso sulla curva e ne costruisce la tangente ricavando la
pendenza. Controllare la corretta costruzione della tangente e il relativo valore della pendenza.
Riportare in una tabella le velocità istantanee ricavate dagli allievi e i tempi in cui è stata
calcolata questa velocità istantanea.
La misura della rapidità con cui varia la velocità al trascorrere del tempo si chiama accelerazione.
e) Come è possibile aumentare l'accelerazione del carrellino sul piano inclinato?
Aumentando la pendenza del piano inclinato si nota che la velocità tende ad aumentare più
rapidamente.
f) In quale condizione estrema l'accelerazione del carrellino sarà al massimo?
Aumentando progressivamente la pendenza è facile osservare che la condizione estrema è
quando il carrellino cade verticalmente senza poggiare sul binario, in caduta libera.
g) Come si chiama l'accelerazione di un oggetto in caduta libera?
L'accelerazione di gravità, sul nostro pianeta è pressoché costante. Si dice che l'aumento di
velocità è di circa 10 m/s ogni secondo che passa. Per questo motivo si dice che l'accelerazione
di gravità terrestre vale:
Più precisamente vale
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------------------------------------------------- Sesta lezione --------------------------------------------
5. Le forze
5.1. Introduzione
Procurarsi una molla, un pallone e della plastilina.
a) Per allungare una molla cosa devo esercitare sulla molla?
b) Per mettere in movimento un pallone cosa devo fare?
c) Per deformare della plastilina cosa devo fare?
In ciascun caso per provocare una deformazione di un corpo o modificarne la sua velocità
bisogna applicare una forza.
La forza è quindi la causa capace di deformare un corpo o di modificare lo stato di quiete o di
movimento del corpo a cui viene applicata.
5.2. La forza peso
Agganciare ad una molla un carrellino sul binario inclinato e osservare che la molla subisce un
allungamento.
Se la molla si allunga significa che il carrellino esercita una forza!
Aumentando la pendenza del piano inclinato la molla si allunga maggiormente. Ciò significa che il
carrellino ha aumentato la forza di trazione sulla molla.
d) In quale situazione estrema il carrellino provoca l'allungamento massimo della molla?
Quando il binario è verticale il carrellino non poggia più sul binario e l'allungamento della molla è
massimo. In questa situazione il carrellino esercita la sua forza di trazione massima. Questa forza
equivale alla forza peso del carrellino esercitata sulla molla.
La forza peso chiamata anche forza di gravità terrestre è quella forza che attira tutti gli oggetti verso il centro
della terra facendoli cadere verticalmente verso il basso. La forza di gravità esercitata dalla terra su un
corpo si chiama comunemente peso di quel corpo.
Mostrare alla classe una bilancia a piatti e un dinamometro.
e) Che differenza esiste fra questi due strumenti di misura?
La bilancia confronta la massa depositata su un piattino con delle masse campione depositate
sull'altro. Una volta stabilito l'equilibrio la massa del corpo corrisponde alla massa campione
depositata nell'altro. Quindi la bilancia misura la massa di un corpo. L'unità di misura della massa
è il kg.
Il dinamometro, dopo aver osservato che al suo interno vi è una molla che subisce una
deformazione a causa di una massa che gli è stata appesa, misura una forza. L'unità di misura
indicata sul dinamometro è il Newton N che è l'unità di misura delle forze.
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------------------------------------------------- Settima lezione --------------------------------------------
6. La bilancia casalinga
La differenza fra il concetto di massa e di forza peso può essere approfondito indagando e
scoprendo il funzionamento di una bilancia meccanica casalinga il cui costo è di circa 20.- fr.
Tutti i tipi di bilancia meccanica commercializzate e del costo indicato funzionano in modo molto
simile a quella presentata in questo documento.
Per scoprire il funzionamento della bilancia è necessario smontarla. Normalmente questo tipo di
bilancia è formato da un piatto d'appoggio inferiore e un coperchio superiore. Queste due parti
sono tenute assieme fra loro grazie a due molle laterali. Per smontare la bilancia e verificarne il
funzionamento è sufficiente staccare queste due molle usando un gancetto metallico.
L'interno della bilancia è molto semplice e il suo funzionamento è facilmente intuibile anche da
parte degli allievi.
È sufficiente che gli allievi siano in grado di ricostruire il funzionamento della bilancia
osservandola struttura interna.
Tempo permettendo si potrà introdurre in modo più dettagliato il funzionamento delle leve
impiegando i termini appropriati riportati nella figura che segue.
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Fulcro
Leve posteriori
Potenza
Fulcro
Potenza
Resistenza R1
Resistenza R1
Resistenza R2
Resistenza R2
Potenza
Potenza
Molla
Fulcro
Fulcro
Leve anteriori
Le quattro leve hanno il fulcro (F) in corrispondenza del loro punto di appoggio sulle quattro
estremità della base della bilancia, mentre le forze della potenza (P) sono applicate sulle
quattro punte situate a 1 cm circa dal fulcro, sulle quali poggia il coperchio della bilancia.
La forze della resistenza (R 1 ) delle leve anteriori sono esercitate in corrispondenza del punto
d'appoggio medio sulle leve posteriori.
La forze della resistenza (R 2 ) delle leve posteriori sono applicate su di una molla che si
deforma quando sui quattro punti della potenza viene esercita una forza.
Dal momento che la bilancia funziona grazie alla deformazione della molla possiamo
tranquillamente affermare che questo strumento di misura non e una bilancia bensì un
dinamometro. Infatti non si confrontano delle masse ma si deforma una molla per effetto della
forza peso.
Queste deduzioni dovrebbero essere capite da tutti gli allievi, i più bravi dovrebbero capire
anche il funzionamento del disco indicatore.
Un esercizio interessante potrebbe essere quello di costruire un disco con indicati i N e non i
kg!
------------------------------------------------- Ottava lezione -------------------------------------------Verifica scritta.
Le domande poste nella verifica dovrebbero accertare in modo qualitativo se lo studente ha
assimilato i seguenti concetti:
a) il concetto di velocità;
b) la differenza fra velocità media e velocità istantanea;
c) la differenza fra moto rettilineo uniforme e moto accelerato;
d) il concetto di forza e di forza peso;
d) la differenza fra massa e peso in situazioni problema diverse.
Quantitativamente si potrebbe:
a) verificare la capacità di leggere un grafico s(t) nel moto rettilineo uniforme e accelerato;
b) far calcolare la velocità media partendo da dati numerici;
c) ricavare graficamente la velocità istantanea in un grafico s(t) nel moto accelerato;
d) far convertire le unità di misura della velocità;
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