4a-forze-elettr - I@PhT

Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Forze elettriche
Attività
Concetti
1) forze a distanza
1) Il pendolino elettrostatico
1) Elettrizzare per strofinio
2) Il tester
2) Misurare grandezze elettriche
2) differenza di potenziale e
corrente elettrica
3) Produrre differenze di
potenziale
3) differenza di potenziale
4) Produrre luce con l’elettricità
4) energia elettrica, circuito
elettrico
3) La pila all’aceto
4) E luce sia!
D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007”
Forze elettriche-1
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Forze elettriche
Consegna:
tutto quello che si può fare con alcuni oggetti su cui eseguire lo strofinio (biro di plastica di vario genere, cannucce di plastica, posate o pettini di plastica, pezzi di polistirolo per
imballo, qualche pezzo di ambra, palloncini di varie misure), nonché piccoli oggetti che permettano di evidenziare lo stato di elettrizzazione dell’oggetto strofinato (piccoli pezzi di
carta di giornale, di quaderno o stagnola, pezzi di pellicola trasparente per alimenti, qualche piccolo frammento di foglia, di stelo, di filo di cotone o di lana, palline di polistirolo).
Occhiello forze a distanza
•
•
•
•
•
lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli oggetti vicini;
l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza;
la presenza dell’oggetto elettrizzato modifica le proprietà degli oggetti vicini rendendoli capaci di essere attratti;
la parte elettrizzata dell’oggetto esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, detta forza elettrica, che è diretta lungo la retta che li congiunge;
anche l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato.
Forze attrattive o repulsive
•oggetti della stessa sostanza acquisiscono per strofinio lo stesso tipo di carica elettrica;
•due oggetti elettrizzati con lo stesso tipo di carica si respingono, quindi fra di loro si esercita una forza elettrica repulsiva;
•certi oggetti, come il vetro, si caricano per strofinio con cariche di tipo diverso da quelle acquisite per strofinio dalla plastica o dalla gomma, perché, quando sono elettrizzati,
attirano, anziché respingere, gli oggetti di plastica elettrizzati separatamente;
•esistono quindi due tipi di carica elettrica, che convenzionalmente vengono chiamate cariche elettriche positive (come quelle acquisite dal vetro per strofinio) e cariche elettriche
negative (come quelle acquisite per strofinio dalla plastica o dalla gomma);
•un oggetto elettrizzato con cariche positive attira un oggetto elettrizzato con cariche negative, mentre oggetti caricati con cariche dello stesso segno si respingono, siano esse
entrambe positive o entrambe negative
•anche gli oggetti metallici sono attirati da oggetti elettrizzati per strofinio;
•al contatto con un oggetto elettrizzato per strofinio, un oggetto metallico acquisisce parte della carica elettrica;
•dopo il contatto, l’oggetto metallico e l’oggetto elettrizzato per strofinio portano cariche dello stesso tipo e si respingono
La corrente elettrica
•la corrente elettrica è costituita dal flusso ordinato di particelle elettricamente cariche e libere di muoversi all’interno di un conduttore,
•per far circolare la corrente elettrica in un circuito occorre che ci sia una sorgente di energia che rifornisce alle particelle cariche l’energia che
dissipano nel loro moto attraverso il circuito,
•sono sorgenti di energia elettrica le pile, le batterie o, per gli impianti elettrici domestici o industriali, le centrali elettriche che alimentano la rete
elettrica cittadina,
•l’energia fornita è legata alla differenza di potenziale elettrico caratteristica della sorgente di energia,
•l’unità di misura del potenziale elettrico, o “voltaggio”, è il volt (simbolo V),
•in un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia luminosa, energia termica, oppure energia di
movimento
Forze elettriche-2
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Il pendolino elettrostatico
Oggetti:
una posata di plastica, una pallina (ottenuta sbriciolando un pezzo di polistirolo), un sottile filo di nylon, un ago e un piccolo pezzo di carta di
alluminio per alimenti.
Attività:
•con l’ago fare passare il filo attraverso la pallina e fermarlo con un nodo;
•coprire la pallina con uno strato di carta di alluminio e appendere il filo con la pallina su un supporto in
modo che possa dondolare liberamente;
•avvicinare al pendolino una posata di plastica e osservare il comportamento dell’uno in rapporto con
dell’altra;
•strofinare poi energicamente la posata con un panno di lana, avvicinare la parte elettrizzata al pendolino e
osservare,
•provare a toccare il pendolino con la posata e osservare che cosa succede.
Concetti:
• attrazione e repulsione elettrica: cariche opposte si attirano, cariche eguali si respingono
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione elettrica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- correlare l’interazione fra oggetti elettrizzati con la loro distanza
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione elettrica: storie e leggende
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricitàFabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze elettriche-3a
Il pendolino elettrostatico
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile
a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno
adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un
raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
• la forza elettrica è la forza che l’oggetto elettrizzato esercita sull’oggetto leggero attirato
• lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli
oggetti vicini;
• l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza;
• la presenza dell’oggetto elettrizzato modifica le proprietà degli oggetti vicini rendendoli capaci di
essere attratti;
•la parte elettrizzata dell’oggetto esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, la forza elettrica,
che è diretta lungo la retta che li congiunge;
•anche l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato.
Forze elettriche-3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Il tester
Oggetti: multimetro digitale, pila elettrica
Il multimetro digitale ha diverse funzioni che si scelgono posizionando la barretta di selezione.
• V (volt), per misure di tensione elettrica; ci sono 5 possibilità di “fondo scala”, 200 mV, 2 V, 20 V, 200
V, 1000 V;
• A (ampere), per misure di corrente elettrica; ci sono 4 possibilità di “fondo scala”, 2 mA, 20 mA, 200
mA, 10 A;
• ) (ohm), per misure di resistenza elettrica, ci sono 6 possibilità di “fondo scala”, 200 ; 2 k, 20 k,
200 k, 2 M, 20 M;
Scegliere sempre il fondo scala appena superiore al voltaggio max atteso dalla misura, per migliore
precisione.
Controllare che il pulsante DC/AC non sia schiacciato per avere la misura in “corrente continua” (deve
comparire nel visore il simbolo =, con la selezione AC compare il simbolo )
Ingresso dei segnali inserire un cavo nell’ingresso “COM” (ingresso “comune”) e l’altro nell’ingresso al
lato destro, tranne per le misure di alte correnti in cui l’altro connettore va collegato all’ingresso a
sinistra del “COM”.
selettore
ohm
volt
ampere
Concetti:
• tensione elettrica e sua unità di misura (volt - simbolo V)
• corrente elettrica e sua unità di misura (ampere - simbolo A)
• resistenza elettrica e sua unità di misura (ohm - simbolo )
Aspetti didattici:
- imparare a usare lo strumento di misura delle grandezze elettriche
Attacco (spunti e continuità):
la “magia” delle grandezze elettriche che non si “vedono” ma di cui si conoscono molto bene gli effetti
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con
l’elettricitàFabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze elettriche-4a
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Il tester
selettore
Attività: utilizzare un multimetro digitale per la misura di diverse grandezze elettriche
ohm
Misura della tensione di una pila:
- posizionare il selettore su 20 V;
- collegare l’ingresso COM al polo - di una pila da 4,5 V, l’ingresso “ A V” al polo + della pila e verificare che
la tensione ai capi della pila è effettivamente vicino ai 4,5 V nominali;
- scambiare i due collegamenti e verificare che sul visore la misura della tensione compare con il segno “-”;
- misurare la tensione di altre pile elettriche;
Misure elettriche nel corpo umano
- posizionare il selettore su 20 M;
- tenere in una mano il cavo collegato all’ingresso COM e nell’altra il cavo collegato all’ingresso “ A V”
cercando di fare un buon contatto e misurare la resistenza elettrica;
- rimisurare la resistenza dopo aver inumidito leggermente le dita;
- posizionare il selettore su 2V e ripetere la misura precedente, prima con le mani ben asciutte e poi con le dita
inumidite;
- formare una catena di due o tre persone che si tengono (strettamente) per mano e misurare la tensione fra
l’inizio e la fine della catena;
- posizionare il selettore su 2mA e verificare che la corrente è minore di 2mA;
- ripetere la misura collegando in serie una pila da 4,5V e misurare la corrente che circola con le dita inumidite.
La fisica:
• la pila è una sorgente (generatore) di tensione elettrica;
• il corpo umano ha una elevata resistenza elettrica, che però si abbassa notevolmente se la pelle è
umida;
• anche il corpo umano funziona come un modesto generatore di tensione elettrica, grazie ai sali
disciolti nei fluidi che impregnano le cellule;
• la corrente che circola nel corpo è modesta, anche se ai capi viene collegata una pila da 4,5 V
• quando però si applicasse una tensione di 220 V, come quella della rete, la corrente diventerebbe
di parecchi mA e darebbe effetti molto dannosi per le cellule.
volt
ampere
COM
-
+
COM
-
AV
+
AV

Forze elettriche-4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
La pila all’aceto
Oggetti: alcune lamine di rame ed altrettante di alluminio, alcuni vasetti di vetro e con diametro
maggiore di quello delle lamine, cavetti elettrici, aceto, tester.
Attività:
• unire una lamina di rame con una di alluminio (coppia bimetallica – foto a );
•prendere un numero di vasetti pari agli elettrodi che si ha intenzione di impiegare e riempirli di aceto;
•inserire i due elettrodi di una coppia a cavallo di due vasetti avendo cura che in ogni vasetto ci siano sempre due elettrodi di tipo diverso;
•nel primo e nell’ultimo vasetto inserire l’elettrodo singolo del tipo che manca e collegarlo a uno degli ingressi del tester (foto b);
•con la selezione del tester posta su “V” si può misurare la differenza di potenziale prodotto, con la selezione posta su "mA" si misura la corrente
lamina
di rame
lamina di
alluminio
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’elettricità: storie e
leggende
(a)
(b)
Concetti:
• cariche elettriche
• tensione elettrica
• corrente elettrica
Aspetti didattici:
- la tensione elettrica (ddp) in analogia con differenze di livello
- la pila come sorgente di energia elettrica
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricità - Fabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze elettriche-5a
La pila all’aceto
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
• per mantenere la corrente elettrica nel circuito è essenziale avere una pila elettrica o qualche altro dispositivo
che tenga in moto le cariche; la pila ha l’effetto di separare le cariche positive e negative
• la pila svolge questo ruolo, grazie alle diverse reazioni chimiche che avvengono vicino ai suoi due poli.
• i due poli sono composti da metalli diversi e si comportano diversamente nei confronti delle cariche elettriche:
- uno (il rame) tende a perdere elettroni
- l’altro (lo zinco o l’alluminio) tende a mandare in soluzione lo ione positivo (e quindi rimane carico
negativamente)
Forze elettriche-5b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
E luce sia!
Oggetti: una lampadina da torcia elettrica, cavetti elettrici, tester,
Attività:
• Attività introduttive: provare ad accendere la lampadina connettendola in modo corretto ai
morsetti (polarità) della pila
•montare il circuito come in figura
amperometro
A
Concetti:
• la corrente, per circolare, necessita di un circuito chiuso
• gli elementi del circuito sono: pila, lampadina, tester
• in un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia
luminosa, energia termica, oppure energia di movimento
lampadina
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’elettricità: storie e leggende
Aspetti didattici:
- circuito chiuso
- la pila come sorgente di energia elettrica
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricitàFabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze elettriche-6a
E luce sia!
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
•perché la corrente scorra occorre che il circuito sia chiuso e che ci sia una sorgente di energia
(pila) che tiene le cariche in moto
•la corrente, circolando nel filamento sottilissimo della lampadina, lo scalda (effetto Joule)
•il filamento, diventato incandescente, emette luce
•trasformazioni di energia: energia. elettrica  energia termica  energia radiante
Forze elettriche-6b