Allegato 11
Gruppo di lavoro n° 7
Sonia Bongiovanni, Sara Cortinovis, Paola Leidi, Sofia Sabatti, Silvia Turlon
CLASSE: III liceo
MATERIA: fisica
scientifico sperimentale Piano Nazionale Informatica
IV MODULO
Moto di masse nel campo gravitazionale.
Moto di cariche nel campo elettrostatico.
Prerequisiti:
Obiettivi:
Materiali:
Contenuti:
Laboratorio:
Verifiche:
Tempi:
Contenuti del III modulo:
Concetto di campo. Sua introduzione storica (dalle forze di
contatto, alle interazioni a distanza: nascita ed evoluzione del
concetto di campo).
Rappresentazione di un campo di forza attraverso le linee di forza.
Campi conservativi.
Potenziale in un campo conservativo.
Rappresentazione di un campo conservativo attraverso le superfici
equipotenziali.
Il campo gravitazionale.
Cenni alla struttura microscopica della materia.
Il campo elettrostatico.
Condensatori.
Conoscere le condizioni affinché i corpi celesti descrivano orbite
chiuse nel sistema solare.
Conoscere le condizioni per il lancio di satelliti artificiali nel
campo gravitazionale terrestre.
Saper esporre, commentare e cogliere la portata dell'esperienza di
Millikan.
Saper risolvere problemi, simili a quelli proposti dal libro di testo.
Capitolo 11 del testo in adozione:
M. Palladino Bosia
Fisica A. Metodi e modelli per interpretare la realtà.
Petrini editore.
Il moto nel campo gravitazionale del Sole.
Il campo gravitazionale terrestre e il moto nel campo gravitazionale
terrestre.
Moto di una carica in un campo elettrico.
Esperienza di Millikan.
Deviazione degli elettroni in un tubo a raggi catodici. (vedi Fisica. A
cura del PSSC. Guida al laboratorio, Zanichelli, n° 35 a pag. 78)
Prova orale.
Prova scritta.
8 h: spiegazione ed esercizi
10 h: interrogazioni (prova orale)
1h + 2h + 1h: introduzione, svolgimento, elaborazione dati laboratorio
1 h + 1 h: svolgimento e correzione della prova scritta
(tot. 24 h)
1ª lezione: Il moto nel campo gravitazionale del Sole
ATTIVITÀ IN CLASSE (1 h)
L'insegnante presenta agli alunni una situazione problematica per introdurre l'argomento e
motivare i ragazzi allo studio:
SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) è un progetto di ccoperazione internazionale tra la
ESA e la NASA. La missione SOHO è inclusa nell'ESA Horizon 2000 Programme, come una pietra
angolare, chiamata Solar-Terrestial Science Programme. Il compito dell'ESA è stato quello di
progettare e costruire l'aereospaziale SOHO, mentre quello della NASA includeva il lancio e altre
operazioni. Gli studi sui disegni per SOHO incominciarono nel 1984 e il maggior sviluppo si ebbe
nel maggio del 1991. Più di 250 scienziati di 39 istituti e 14 nazioni europee ed americane furono
coinvolti negli esperimenti necessari per la messa a punto di SOHO. SOHO venne lanciata, per
iniziare il suo viaggio di tre mesi verso il Lagrangian point No.1, il 2 dicembre 1995 da Cape
Canaveral da un Atlas-IIAS. L'intera massa dell'aereospaziale al momento del lancio era di 1610 kg,
a cui vanno aggiunti 240 kg di combustibile, che doveva essere sufficiente per almeno sei anni di
operatività. In orbita tra la Terra e il Sole, l'aerospaziale godeva di un'ininterrotta vista del Sole,
dell'eliosfera e delle particelle del vento solare. Un giro completo su quest'orbita (ortogonale al
piano dell'eclittica) durava circa 6 mesi. Dopo che SOHO ebbe completato la sua missione biennale,
nell'aprile del 1998, ottenendo risultati spettacolari, la missione fu prolungata fino al 2003 per poter
assistere al periodo di massima attività solare che si prevedeva per l'anno 2000.
Purtroppo, a causa di una sfortunata serie di errori operativi, il 25 giugno del 1998 si perse il
contatto radio. L'aereospaziale entò in un avvitamento incontrollato che causò perdita di energia.
SOHO fu persa per circa un mese, finché il 23 luglio una misurazione radar ritrovò l'aereospaziale
profondamente congelato. [si allega immagine della traiettoria seguita da SOHO]
Quali forze ha subito SOHO durante il suo tragitto? Fate un'analisi qualitativa di quelle che, a vostro
parere, erano le più significative tra le forse in gioco in momenti diversi della missione.
Dalle analisi qualitative fatte dagli studenti, l'insegnante trarrà spunto per sviluppare
l'argomento, che può essere spiegato attraverso la seguente schematizzazione:
a) corpo che entra in un'orbita chiousa attorno al Sole;
b) corpo che cade sul Sole;
c) corpo che percorre una traiettoria parabolica;
d) corpo che percorre una traiettoria ellittica.
LAVORO DOMESTICO
Esercizio
Il grafico sottostante rappresenta in maniera non ordinata i diagrammi dell’energia potenziale
gravitazionale e le rappresentazioni delle orbite descritte da una massa m in un campo gravitazionale
generato da M.
Abbina correttamente ad ogni diagramma il disegno corrispondente dell’orbita e la formula della
velocità del pianeta di massa m.
vm > ( 2 G M / r )1/2
vm = ( 2 G M / r )1/2
vm < ( 2 G M / r )1/2
2ª lezione: Il campo gravitazionale terrestre
ATTIVITÀ IN CLASSE (1 h)
Per prima cosa l'insegnante guida la correzione del compito a casa, che diventa anche
occasione di verifica formativa, di ripasso e di recupero, proiettando un lucido con i grafici
e le formule correttamente associati, commentando opportunamente.
Successivamente egli presenta agli alunni alcune situazioni problematiche per introdurre
l'argomento e motivare i ragazzi allo studio (i ragazzi lavoreranno a coppie, tra vicini di
banco):
Tenendo conto che
G = 6,67 x 10-11 Nm2kg-2
massa della Terra = 6 x 1024 kg
raggio della terra = 6,4 x 106 m
1) calcola il valore del campo gravitazionale terrestre su una noce di cocco che si stacca dalla palma
a 2 m dal suolo, nell'istante in cui si stacca dalla palma;
2) calcola il valore del campo gravitazionale terrestre su una noce di cocco che si stacca dalla palma
a 4 m dal suolo, nell'istante in cui si stacca dalla palma;
3) calcola il valore del campo gravitazionale terrestre su una noce di cocco che si stacca dalla palma
a 6 m dal suolo, nell'istante in cui si stacca dalla palma;
4) e che il satellite Meteosat sulle cui informazioni si basano le nostre previsioni metereologiche si
trova in orbita a 35900 km di distanza dalla superficie terrestre; calcola il valore del campo
gravitazionale terrestre nella zona in cui si trova il satellite;
5) calcola il valore del campo gravitazionale terrestre su un corpo che si trova in un pozzo di una
miniera, ad una profondità di 2 km dalla superficie terrestre.
Dalle analisi fatte dagli studenti, l'insegnante trarrà spunto per sviluppare l'argomento, che
può essere spiegato attraverso la seguente schematizzazione:
a) campo gravitazionale della Terra in prossimità della superficie terrestre;
b) campo gravitazionale della Terra lontano dalla superficie terrestre;
c) campo gravitazionale della Terra all'interno della Terra.
LAVORO DOMESTICO
Esercizi n° 7, 8, 9, 10 a pag. 196 dal Caforio Ferilli (versione della Sara)
3ª lezione: Il moto nel campo gravitazionale terrestre
ATTIVITÀ IN CLASSE (2 h)
Per prima cosa l'insegnante guida la correzione del compito a casa, che diventa anche
occasione di ripasso e di recupero, facendo correggere da alcuni alunni alla lavagna gli
esercizi e commentando opportunamente.
Successivamente egli svilupperà l'argomento della lezione, che può essere spiegato
attraverso la seguente schematizzazione:
a) moto di caduta dei gravi;
b) moto dei satelliti;
c) velocità di fuga.
LAVORO DOMESTICO
Esercizio 1
Un grave viene lanciato dalla superficie terrestre con velocità uguale a quella di fuga. Esprimere la
velocità in funzione della distanza r dal centro della terra.
Esercizio 2 pag. 337 del libro di testo.
Esercizio 3 pag. 337 del libro di testo.
Esercizio 4
Si deve lanciare dalla Terra una sonda spaziale in modo che abbia la velocità di 50 km/s quando è
molto lontana dalla Terra. Che velocità deve avere la sonda sulla superficie della Terra?
4ª lezione: Esercizi sul moto nel campo gravitazionale terrestre
ATTIVITÀ IN CLASSE (1 h)
1. Correzione degli esercizi assegnati per compito, facendo uscire alcuni ragazzi alla
lavagna.
2. Esercitazioni su domande a risposte multiple (i ragazzi rispondono a coppie e poi ci
si confronta sulle riposte date, con opportuno commento dell’insegnante). Le
domande saranno quelle tratte dal libro di testo: pag. 339 n° 2, 3, 4, 6, 8, 10.
Quest’ora deve servire, oltre che come esercitazione per i ragazzi, anche come verifica in
itinere, per l’insegnante. Nel caso in cui tale verifica dia esito non soddisfacente,
l’insegnante riprogetterà la seconda parte del modulo riducendo i contenuti, per lasciare
spazio alla ripresa di quelli non ancora assimilati.
LAVORO DOMESTICO
Vengono assegnati due problemi simili a quelli precedentemente assegnati e svolti in
classe e due domande a riposta multipla.
Interrogazioni (5 h - 12 persone)
A ciascuno degli studenti interrogati verrà chiesto di risolvere uno degli esercizi assegnati
per casa ed un esercizio nuovo, proposto dall'insegnante.
5ª lezione: Il moto di una carica nel campo elettrico
ATTIVITÀ IN CLASSE (1,5 h)
L’insegnante, attraverso una lezione frontale, presenta i seguenti argomenti:
a) moto di una carica in un campo elettrico generato da una carica puntiforme;
b) moto di una carica in un campo elettrico uniforme.
Successivamente si procede alla visione di una videocassetta che presenti l’esperienza di
Millikan, mostrando la strumentazione, una prova e i dati tabulati e successivamente
elaborati. Infine l’insegnante commenta sottolineando l’importanza storica dell’esperienza
di Millikan.
LAVORO DOMESTICO
Esercizio pag. 338 n° 22 del libro di testo.
Esercizio 1
Un campo elettrico uniforme può far percorrere una traiettoria circolare ad una sferetta carica?
Sì, purché la sferetta sia in moto con velocità parallela alle linee del campo.
Sì, purché la particella sia di carica negativa ed inizialmente ferma
No, perché la sferetta inizia un moto oscillatorio con direzione parallela alle linee di forza
Sì, purché inizialmente sia in moto con velocità perpendicolare alle linee del campo.
No, se la particella era già in moto l’unica possibile deviazione di traiettoria è di tipo parabolico.
Esercizio 2
Una particella di massa m e carica negativa, soggetta alla forza del campo di una carica puntiforme
positiva, ruota con velocità v su un’orbita circolare di raggio r. Se si raddoppiano entrambe le
cariche, quale velocità dovrebbe avere la particella per muoversi sulla stessa orbita circolare?
2v
4v
v/2
v/4
Laboratorio
ATTIVITÀ DI PREPARAZIONE IN CLASSE (1
ESPERIENZA IN LABORATORIO (2 h)
ELABORAZIONE DEI DATI IN CLASSE (1 h)
h)
(vedi oltre)
6ª lezione: Esercizi sul moto di una carica nel campo elettrico
ATTIVITÀ IN CLASSE (1,5 h)
Verranno proposti agli studenti sia problemi, simili ai precedenti, che domande a risposta
multipla.
LAVORO DOMESTICO
Verranno proposti agli studenti sia problemi, simili ai precedenti, che domande a risposta
multipla.
Interrogazioni (5 h - 12 persone)
A ciascuno degli studenti interrogati verrà chiesto di risolvere uno degli esercizi assegnati
per casa ed un esercizio nuovo, proposto dall'insegnante.
Laboratorio
ATTIVITÀ DI PREPARAZIONE IN CLASSE (1
h)
L'insegnante preparerà gli studenti all'esperienza in programma (deviazione degli elettroni
in un tubo a raggi catodici), presentando in modo "teorico" la strumentazione che verrà
utilizzata, la modalità con cui dovrà avvenire l'esperienza e le misurazioni, lo scopo
dell'esperimento (verificare sperimentalmente che ..........................., la qual cosa è una
conseguenza del fatto che .................................).
La presentazione in classe potrebbe essere fatta proiettando alcuni lucidi con la lavagna
luminosa.
I lucido: schematizzazione degli elementi fondamentali di un tubo a raggi catodici (il
meccanismo di messa a fuoco non è visibile)
6,4 cm
catodo
anodo
Y2
X2
Y1
X1
riscaldatore
In un tubo a raggi catodici gli elettroni si muovono in un fascio molto sottile dal cannone
elettronico verso lo schermo. Quando colpiscono il rivestimento interno dello schermo,
viene emessa la luce. nell'interno del tubo il fascio di elettroni passa attraverso due coppie
di placche deflettrici, poste una dopo l'altra, indicate con X e Y. Quando alle placche X
viene applicata una differenza di potenziale, il fascio viene deviato orizzontalmente; una
differenza di potenziale attraverso le placche Y devia invece il fascio verticalmente.
L'obiettivo di questo esperimento è di studiare queste deviazioni in funzione della
differenza di potenziale applicata alle placche X e Y.
II lucido: preparazione della strumentazione
In questa figura sono mostrati i collegamenti elettrici iniziali.
struttura
portante
6,3 V (c.a.)
-8V +8V
0-5 V (c.c.)
terra
-250 -125 0 +125
riscaldatore
catodo
+250
anodo
generatore di tensione (visto dall'alto)
Nel collegamento iniziale tra la base del tubo a raggi catodici e il generatore di tensione:
- assicurarsi che il generatore abbia un'uscita a 6,3 V in corrente alternata;
- non usare un'uscita collegata a terra per il riscaldatore del tubo a raggi catodici;
- effettuare i collegamenti e vararli solo quando il generatore di tensione è spento;
- misurare la differenza di potenziale di accelerazione Va che si ottiene con questi
collegamenti.
III lucido: esecuzione dell'esperimento
Controllare i collegamenti.
Collegare il generatore di tensione e mettrlo in funzione.
Regolare la manopola del tubo a raggi catodici in modo che il punto luminoso sia il più
piccolo possibile: questo sarà il punto zero a partire dal quale si misureranno le deviazioni.
Collegare le placche X con la terra e la presa + 8 V e misurare la deviazione del fascio (la
griglia sullo schermo è divisa in mm).
Spostare il filo di collegamento dalla presa + 8 V a quella - 8 V e misurare la deviazione.
Le due deviazioni misurate sono uguali in modulo?
Qual è la differenza di potenziale tra le placche X quando le collegate con le prese + 8 V e
- 8 V?
Misurare le deviazioni per questa configuarazione e per quella opposta.
tracciare la deviazione x in funzione della differenza di potenziale deflettrice Vd.
Dall'esame del grafico, potete affermare che la deviazione per volt è la stessa in tutti i casi?
generatore di tensione (visto dall'alto)
struttura portante
6,3 V (c.a.)
-8V
+8V
0-5 V (c.c.)
terra
-125
-250
0
+125
Y
Y
+250
X
fuoco
X
base del tubo a raggi catodici
Ripetere l'esperimento collegando le placche Y.
Attenzione: scollegare i fili dal generatore di tensione prima di spostarli dal collegamento
alle placche X al collegamento alle placche Y.
La sensibilità del tubo a raggi catodici è la stessa per le deviazioni orizzontali e veriticali?
Le placche X e Y sono costruite in modo uguale?
Quali placche deflettrici sono più vicine allo schermo del tubo? Come lo capite?
Trovare la sensibilità del tubo a raggi catodici per le deviazioni x e y. fare ciò con un
potenziale di accelerazione di 500 V (collegate il catodo a - 250 V) e di 250 V (collegate il
catodo a 0 V).
In quale modo la sensibilità dipende dalla differenza di potenziale di accelerazione?
ESPERIENZA IN LABORATORIO (2
h)
Prima di andare in laboratorio, a ciascuno studente viene consegnata fotocopia dei lucidi
della lezione precedente, che servano da promemoria (sia per lo svolgimento che per le
domande da porsi) e da aiuto per la compilazione della relazione di laboratorio.
Gli studenti, inoltre, hanno con sè lo schema generale della relazione di laboratorio:
Alunno:
Classe:
Data:
Obiettivo dell'esperimento:
Materiale occorrente:
Tempo
impiegato
per la spiegazione in classe:
per l'esecuzione dell'esperimento:
per la stesura della relazione personale:
per l'elaborazione dei dati:
Montaggio dell'apparecchiatura:
Procedimento:
Criteri adottati per l'esecuzione delle misure:
Dati sperimentali ottenuti:
Risposte alle domande poste nella scheda:
Elaborazione grafica dei dati ottenuti:
Confronto dei risultati con il valore atteso teorico:
Eventuali osservazioni:
Difficoltà incontrate nell'esecuzione dell'esperimento:
Modifiche proposte:
L'esperienza viene effettuata a gruppi di 6 studenti ciascuno. Gli studenti di ciascun gruppo
dovranno collaborare nella preparazione della propria strumentazione e procederanno
singolarmente al rilevamento delle misure delle deviazioni, in modo che si abbiano alla
fine 4 insiemi di 6 dati ciascuno.
ELABORAZIONE DEI DATI IN CLASSE (1
h)
Prova scritta (1 h)
Indica la risposta che ritieni esatta, giustificando la tua scelta:
1. Un satellite descrive un’orbita circolare attorno alla Terra. Indica le affermazioni errate:
La sua accelerazione è proporzionale alla massa del satellite
La sua accelerazione è proporzionale alla massa della Terra
La sua velocità è proporzionale al raggio dell’orbita
La sua velocità è proporzionale alla radice quadrata del raggio.
2. L’accelerazione di un corpo in caduta libera su Marte è 3,7 m/s2. Quanto vale il campo
gravitazionale sulla superficie di tale pianeta?
0 m/s2
7,44 m/s2
3,72 m/s2
1,86 m/s2
3. Una cometa si trova a 12.000.000 km dal Sole con velocità di 3.000 m/s. La sua orbita è
ellittica
parabolica
iperbolica
4. Se si scava un tunnel che collega polo nord e polo sud e si lascia cadere un sasso al polo
nord in corrispondenza all’ingresso del tunnel, il sasso, ipotizzando la terra sferica ed
omogenea con densità d = 5500 unità S.I.:
si muoverà di moto armonico attorno al centro della Terra
vero
falso
si muoverà di moto periodico con periodo 84,3 min
vero
falso
sarà soggetto nel tunnel ad un campo gravitazionale uniforme
vero
falso
raggiungerà il centro della Terra, proseguendo per inerzia
vero
falso
attraverserà il tunnel, fuoriuscendo dal polo sud
vero
falso
5. Una particella di massa m e carica q penetra con velocità v nell’interno di un
condensatore parallelamente alle sue armature. Quale delle seguenti affermazioni è errata?
L’energia della particella durante il moto tra le armature del condensatore è costante.
Lo spostamento dopo un tempo t trasversalmente al campo elettrico è indipendente da q.
Lo spostamento dopo un tempo t trasversalmente al campo elettrico è indipendente
dall’intensità del campo
Lo spostamento dopo un tempo t trasversalmente al campo elettrico è indipendente da m
6. Le armature del condensatore della domanda precedente hanno una lunghezza l uguale
al doppio della loro distanza e la particella viene immessa nel campo in un punto
equidistante dalle armature. La particella in tali condizioni esce dal campo se la velocità di
immissione supera un certo valore minimo vmin. Se V è la differenza di potenziale tra le
armature, quale tra le seguenti affermazioni è giusta?
vmin è indipendente da q
vmin è indipendente da m
vmin è indipendente da V
vmin è indipendente da l
Risolvi i seguenti problemi:
1. Un elettrone è proiettato in un campo elettrico uniforme di intensità 2000 N/C con una
velocità iniziale pari a 10 6 m/s e con direzione perpendicolare a quella del campo. Si
confronti il peso dell'elettrone con la forza elettrica agente su esso. Di quanto viene deviato
l'elettrone dopo che ha percorso 1 cm lungo la direzione perpendicolare a quella del
campo?
2. Si deve lanciare dalla Terra una sonda spaziale in modo che abbia la velocità di 50 km/s
quando è molto lontana dalla Terra. Che velocità deve avere la sonda nello staccarsi dalla
superficie terrestre?
Assegnazione punteggio e voto
Domande a scelta multipla:
0 punti per ogni risposta non affrontato
1 punto per ogni domanda con risposta corretta e giustificazione corretta
0,5 punti per ogni risposta corretta senza giustificazione o con giustificazione non corretta
0,5 punti per ogni risposta non corretta con giustificazione corretta
Problemi:
3 punti per ogni problema correttamente impostato e correttamente risolto
2 punto per ogni problema correttamente impostato ma non risolto o risolto non
correttamente
1 punto per ogni problema correttamente risolto ma impostato in modo scorretto
0 punti per ogni problema non affrontato
punteggio
12
[11, 12[
[10, 11[
[9, 10[
[8, 9[
[7, 8[
[5, 7[
[3, 5[
[1, 3[
[0, 1[
voto
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
