ADFORZE4
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Laboratorio per l’Educazione alla Scienza Percorso Didattico su Forze e Movimento Attività didattica ADFORZE4 Conservazione della Quantità di Moto. Momento di una Forza DATA: ...................................................................…… SCUOLA: ................................................................….. CLASSE: .................................................................…… DOCENTE: ..............................................................….. COGNOME e NOME: ..............................................…. GRUPPO N°: .............................................................…. Città della Scienza ADFORZA4 pag.1 In questa attività svolgeremo alcune esperienze finalizzate alla comprensione dei tre principi della dinamica. Introdurremo, in attività sperimentali, la quantità di moto, la conservazione della quantità di moto e il momento di una forza. Infine cercheremo di mostrare come i concetti acquisiti possano guidare nello studio successivo delle rotazioni dei corpi rigidi. 1. PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE IN SITUAZIONI STATICHE, domanda introduttiva. Prova a fare un esempio in cui lo stesso principio aiuta a interpretare situazioni di sistemi interagenti in moto. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2. PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE: ANALISI QUALITATIVA. 2.1) Due ragazzi giocano al tiro alla fune. a) Individua le forze in gioco e le relazioni fra esse. .......................................................................................................……………………………………. ................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................………………………… b) Riproduci schematicamente la situazione c) Cosa succede quando mettiamo un paio di pattini al ragazzo che precedentemente ha vinto nel tiro alla fune? .......................................................................................................……………………………………. ................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................………………………… d) Argomenta la tua risposta in termini delle forze in gioco e del principio di azione e reazione. .......................................................................................................……………………………………. ................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................………………………… 3. URTO TRA CARRELLI E PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE. Esperimento - Su ciascuno dei due carrelli è montato un sensore di forza che permette di registrare in tempo reale la forza in funzione del tempo scambiata nell’urto. Descrivi e commenta ciò che abbiamo osservato nelle diverse situazioni: - i due carrelli hanno la stessa massa; - i due carrelli hanno massa una il doppio dell’altra; - i due carrelli sono entrambi in moto; - un carrello è fermo l’altro è in moto; Commenta. ...................................................................................................………………………………………. .......................................................................................................……………………………………. Città della Scienza ADFORZA4 pag.2 …............................................................................................................................................................ ........................................................................................................................………………………… …...................................................................................................……………………………………. ...........................................................................................................................................……………. … .......................................................................................................................................…………… ...........................................................................................................................................……………. 4. BLOCCHETTO IMMERSO NELL'ACQUA. 4.1) Esperimento - Immergi gradualmente il blocco di metallo (sospeso al dinamometro) nel contenitore d'acqua appoggiato sulla bilancia a molla. Per ogni posizione valuta: il volume del peso immerso, la forza letta sul dinamometro (F1), la forza letta sulla bilancia a molla (F2). a) Compila la seguente tabella. Volume Immerso [l o cm3] F1 F2 F1 + F2 [kgp o N] [kgp o N] [kgp o N] b) Rappresenta schematicamente con uno schizzo i sistemi interagenti e le forze scambiate. c) Commenta i risultati ottenuti in termini del principio di azione e reazione. .......................................................................................................……………………………………. ...........................................................................................................................................……………. d) Perché via via che si immerge il blocchetto nell'acqua cambiano i valori segnati dal dinamometro e dalla bilancia? .......................................................................................................……………………………………. ...........................................................................................................................................……………. Città della Scienza ADFORZA4 pag.3 e) Che relazione esiste fra le variazioni delle letture fatte sul dinamometro e quelle fatte sulla bilancia? ................................................................................................................................................................ .......................................................................................................................…………………………. 5. "ESPLOSIONE" DI DUE RAGAZZI SEDUTI SU SEDIE CON RUOTE. 5.1) Esperimento. a) Descrivi l'esperienza che abbiamo appena svolto indicando i sistemi interagenti e le forze scambiate. .....................................................................................................………………………..……………. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. b) Rappresenta schematicamente con uno schizzo i sistemi interagenti e le forze scambiate. c) Quale dei due ragazzi è andato più lontano? Prova a rispondere a questa domanda applicando il terzo principio e considerando le forze di attrito. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. 6. "ESPLOSIONE" DI DUE CARRELLI. 6.1) Esperimento - Due carrelli sono tenuti insieme da una molla compressa, liberando la molla questa spinge i due carrelli allontanandoli. a) Completa la seguente frase. Le forze che la molla esercita sui due carrelli al momento del distacco sono………………………... ………………………………………………………………………………………………………... b) Fai un disegno delle forze agenti al momento del distacco. c) Quali sono le forze in gioco mentre i due carrelli sono in moto? …………………………………………………………………………………………….………… ………………………………………………………………………………………………………. Fai uno schizzo. Città della Scienza ADFORZA4 pag.4 d) Se l'attrito con la guida è trascurabile, che tipo di moto hanno i due carrelli? Argomenta la tua risposta. …………………………………………………………………………………………….………… ………………………………………………………………………………………………………. e) Per ogni coppia di masse m1 e m2 abbiamo valutato lo spazio che i due carrelli percorrono nello stesso tempo. …………………………………………………………………………………………….………… ………………………………………………………………………………….…………………… ………………………………………………………………………………………………………. f) Che relazione esiste fra lo spazio percorso dai due carrelli e le loro velocità? …………………………………………………………………………………………….………… ………………………………………………………………………………………………………. g) Compila la tabella che segue con i dati dell'esperimento. m1 m2 s1 s2 [kg] [kg] [m] [m] s2 v2 = s1 v1 m1 m2 h) Commenta i risultati ottenuti ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 7) I TRE PRINCIPI DELLA DINAMICA I tre principi della dinamica sono affermazioni generali che, fra l’altro, generalizzano molte regolarità che scaturiscono dalle osservazioni sperimentali. Enunciali descrivendo, per ciascuno di essi, alcune situazioni legate alla tua esperienza di fatti quotidiani mostrando come possano essere di aiuto per interpretare ciò che avviene. Città della Scienza ADFORZA4 pag.5 7.1) I principio: Enunciato ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ....................................................................................................……………………………………… Esempi ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... 7.2) II principio: Enunciato ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... Esempi ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... 7.3) III principio: Enunciato ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ....................................................................................................……………………………………… Esempi ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... 7.4) Esperimento - Un carrello è inizialmente fermo sulla guida con poco attrito. Per un breve intervallo di tempo lo spingiamo con una forza costante, poi lo lasciamo andare. Sai descrivere l'intero esperimento facendo riferimento ai tre principi? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .....................................................................................................……………………………………... 8. BILANCIA E CONDIZIONI DI EQUILIBRIO. 8.1) Esperimento - Fai forza premendo con la mano sulla tavoletta a diverse distanze dal centro O cercando di equilibrare il peso P. a) Descrivi le tue sensazioni e cerca di darne una spiegazione. ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… b) Qual è l’intensità della forza di equilibrio ad un centimetro da O? F = …………… ed in O? Città della Scienza ADFORZA4 pag.6 F = …………… 9. FORZE E MOMENTI. a) Esperimento - Poni un peso campione sull'asta di legno in una posizione prefissata, per esempio poni 200gp alla distanza d = 10 cm dal centro O. A questo punto posiziona il contenitore con i pallini di piombo alla distanza d = 30cm (dall'altro lato del centro O) e aggiungi o togli pallini finché non avrai ottenuto l'equilibrio. Ripeti l'operazione spostando il contenitore di 5 cm in 5 cm. Compila poi la seguente tabella. Distanza [m] Fd [N.m] F [kgp] [N] b) Costruisci il grafico di F in funzione della distanza. F(N) 0 30 d(cm) 10. COMPOSIZIONE DI FORZE PARALLELE. CONDIZIONE DI EQUILIBRIO. 10.1) Esperimento - Hai a disposizione due bilance sulle quali è posta un’asta di legno. Muovi lungo l’asse il pesetto P a intervalli di 10 cm e leggi il valore della forza peso su ciascuna bilancia. a) Compila la tabella. F1 [ [kgp] F2 [N][ [kgp] F1+F2 [N][ [kgp] [N] d1 d2 F1d1 F2d2 [m] [m] [Nm] [Nm] Città della Scienza ADFORZA4 pag.7 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 b) Rappresenta in figura le forze in gioco. c) Costruisci i grafici di F1 , F2 e di F1 + F2 in funzione della distanza d1. F(N) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d(m) 1 d) Cosa puoi dire sui valori di F1d1 e F2d2 riportati nelle ultime colonne? ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… DISCUSSIONE (APPUNTI) Nell’analizzare gli ultimi due esperimenti abbiamo discusso sul significato del momento di una forza. Descrivi sinteticamente delle situazioni nelle quali la misura del momento di una forza aiuta a descrivere fenomeni legati all’esperienza quotidiana. ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 11. DALLE TRASLAZIONI ALLE ROTAZIONI. ESPERIMENTI QUALITATIVI. 11.1) Esperimento - In grande gruppo svolgiamo diversi esperimenti sulle rotazioni di un “corpo rigido”. Gli esperimenti qualitativi che abbiamo osservato possono essere descritti attraverso alcune regole: - ci vuole una forza per tenere un oggetto in moto circolare uniforme intorno ad un punto fisso. - non ci vuole una forza per tenere in rotazione intorno ad un asse fisso un corpo rigido: la ruota messa in rotazione nel piano orizzontale intorno al suo asse (verticale) tende a mantenere una Città della Scienza - ADFORZA4 pag.8 velocità di rotazione (velocità angolare) costante. Ciò è tanto più evidente quanto minori sono gli attriti (soprattutto con l’albero) e la resistenza dell’aria. se la ruota è “appesantita” avvolgendo una pesante catena intorno al cerchione aumenta il momento d’inerzia ed occorre un momento maggiore per mettere la ruota in rotazione. all’aumentare della velocità di rotazione della ruota diventa sempre più difficile ruotare l’asse di rotazione. (effetto giroscopico). facendo cadere sulla ruota in rotazione (nel piano orizzontale) un oggetto che vi resta attaccato diminuisce la velocità angolare. sullo sgabello girevole, portando i pesi al petto, aumenta la velocità di rotazione, allargando le braccia diminuisce la velocità di rotazione …………………………………………………………………………………….. ……………... 11.2) Cerca di ricostruire l’insieme dei fenomeni osservati sfruttando le analogie con gli esperimenti corrispondenti studiati nel campo delle traslazioni. Nel descrivere le analogie metti in relazione le grandezze corrispondenti (ad esempio forza e momento di una forza, accelerazione e accelerazione angolare…) e le leggi corrispondenti (ad esempio conservazione della quantità di moto e conservazione del momento della quantità di moto…). ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……..…………………………………………………………………..............……………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… COMMENTI E RIFLESSIONI SULLA ATTIVITA' SVOLTA ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………
