Relazione su quantità di moto e sua variazione

Laboratorio di valutazione (Fisica) – SIS 05-06
Gruppo: Ivaldi L., Purri V., Pietrasanta G., Cibonfa F. .
Simulazione di ingresso e di itinere sui concetti di forza e lavoro in dinamica
Prerequisiti: cinematica.
Classe di riferimento: III liceo scientifico, dopo aver terminato la trattazione della cinematica.
Argomenti scelti di dinamica: concetto di forza, applicazione di tale concetto nella formulazione dei
principi della dinamica, panoramica sulle varie forze (forza peso, forza elastica, forza d’attrito,
forza centripeta) ed analisi di un corpo sottoposto all’azione di un sistema di forze, concetto di
lavoro di una forza (con particolare riferimento al lavoro della forza peso e della forza elastica).
Modalità di conduzione: lezione frontale integrata con lo svolgimento di quesiti ed esercizi. Lo
svolgimento degli argomenti proposti richiederà non meno di 8 ore tra parte teorica di spiegazione e
parte applicativa e pratica.
Prova di ingresso
Poiché dal punto di vista esperienziale possiamo solo sperimentare l'effetto di una forza, e questa
coincide quasi sempre con la variazione dello stato di moto di un corpo, il fine di questa prova in
ingresso è di far riflettere l'allievo sulle cause di tale moto, inducendolo a riconoscere la forza
come causa diretta. A questo proposito, per agevolare l'allievo nella sua riflessione, si è scelto di
proporre dei quesiti su fenomeni fisici reali, sui quali lo studente può indagare anche per via
sperimentale.
Il tipo di prova è del tipo semi-strutturato: quesiti a risposta multipla e risposta chiusa e alcune
domande per verificare la scelta della soluzione indicata o il tipo di ragionamento compiuto
dall’allievo.
Quesito 1
Se un treno, che viaggia a velocità costante su una traiettoria rettilinea, frena improvvisamente, che
succede ai passeggeri al suo interno?
- A: vengono spinti all’indietro rispetto al moto di avanzamento del treno;
- B: vengono spinti in avanti;
- C: non subiscono alcuno spostamento.
Sai spiegare perché i viaggiatori non sentono alcuna spinta quando il treno viaggia di moto
rettilineo uniforme?
Tale quesito invita l'allievo a collegare l'effetto di un'accelerazione con quello di forza (“spinta”),
avvicinandolo alla formulazione dei principi della dinamica.
La corretta risposta al test è la B.
Quesito 2
Se si pesa un corpo con la stessa bilancia prima all’equatore e poi al polo Nord, la misura ottenuta
risulta essere:
- A: maggiore all’equatore;
- B: uguale;
- C: maggiore al polo Nord.
Suggerimento: riflettere sul fatto che la Terra è sottoposta ad un moto di rotazione.
Tale quesito mira ad indagare le conoscenze dell’allievo sul concetto di forza peso (legato alla
gravità terrestre) e forza centrifuga (legato alla rotazione terrestre).
La corretta risposta al test è la C.
Quesito 3
Si supponga di salire su una bilancia in un ascensore fermo e di annotare il proprio peso. Se si
decide di salire al piano superiore con l'elevatore, la bilancia indicherà, nel momento in cui
l’ascensore incomincia a salire, un peso che, rispetto al caso in cui l’ascensore era fermo, risulta:
- A: maggiore;
- B: uguale;
- C: minore.
Nel caso si decidesse di scendere con l'ascensore, la situazione è identica alla salita?
In tale quesito l'allievo è invitato a riflettere sul concetto di peso di un corpo, che non è assoluto,
ma dipende sia dal campo di gravità terrestre che dallo stato di moto relativo del corpo rispetto al
campo di gravità stesso.
La corretta risposta al test è la A. Nel caso che l’ascensore scenda, nell’istante iniziale in cui
l’ascensore incomincia a scendere, il peso diminuisce.
Quesito 4
È più facile scivolare su:
- A: una strada bagnata;
- B: una lastra di ghiaccio;
- C: è indifferente.
Provare a spiegare, in termini fisici, l’azione che si compie nel camminare.
Tale quesito mira ad indagare le conoscenze dell’allievo sul concetto d’attrito, facendolo ragionare
su un fenomeno fisico di cui ha diretta esperienza.
La corretta risposta al test è la B. Nel camminare è fondamentale il concetto d’attrito.
Quesito 5
Si considerino due oggetti, legati da una corda, disposti come in figura (le superfici sono lisce);
supponendo che m1 sia uguale a m2, indicare cosa succede al sistema formato dai due oggetti:
- A: si sposta verso il basso dal lato di m1;
- B: si sposta verso il basso dal lato di m2;
- C: rimane fermo.
Tale quesito indaga la capacità dell’allievo di ragionare in termini non di un solo corpo, ma di più
corpi (in questo caso un semplice sistema formato da due oggetti legati tra loro).
La corretta risposta al test è la B.
Quesito 6
Si prenda in considerazione un oggetto vincolato ad un filo e messo in rotazione su un piano
orizzontale. Indicare quale delle tre affermazioni è corretta:
- A: il filo è tanto più teso quanto maggiore è la velocità di rotazione dell’oggetto;
- B: il filo è tanto più teso quanto minore è la velocità di rotazione dell’oggetto;
- C: la tensione del filo non dipende dalla velocità di rotazione dell’oggetto.
Tale quesito mira a far ragionare l’allievo su un fenomeno analizzato nell’ambito della cinematica,
facendogli focalizzare l’attenzione sulle forze che intervengono.
La corretta risposta al test è la A.
Quesito 7
Bisogna trascinare uno scatolone per una certa distanza l; indicare quale, tra le modalità indicate, è
la più conveniente:
- A:
- B:
- C:
Spiegare perché si ritiene che la modalità scelta sia la più conveniente.
Tale quesito indaga le pre-conoscenze dell’allievo sul concetto di prodotto scalare tra forza e
spostamento, facendolo ragionare su un fenomeno fisico di cui ha diretta esperienza.
La corretta risposta al test è la A.
Quesito 8
Bisogna spingere un carrello scegliendo tra due strade (caratterizzate da superfici lisce), entrambe
lunghe 100 m: la prima ha una pendenza di 5° mentre la seconda ha una pendenza di 10°. Indicare
quale delle due strade è più vantaggioso percorrere per minimizzare il lavoro svolto:
- A: la prima;
- B: la seconda;
- C: è indifferente.
Tale quesito indaga le pre-conoscenze dell’allievo sul concetto di lavoro, facendolo ragionare su
un fenomeno fisico di cui ha diretta esperienza.
La corretta risposta al test è la A.
Quesito 9
Se si considerano 2 molle completamente identiche, si spende un lavoro maggiore per:
- A: comprimere entrambe le molle di un tratto x;
- B: comprimere una sola molla di un tratto 2x;
- C: è indifferente.
Suggerimento: bisogna chiedersi se, all’aumentare della compressione della molla, lo sforzo
necessario aumenta oppure rimane il medesimo.
Tale quesito, più complicato dei precedenti, indaga, non tanto le pre-conoscenze su un fenomeno
fisico, quanto le capacità analitiche dell’allievo e le sue capacità di ragionamento a partire dal
suggerimento proposto.
La corretta risposta al test è la B.
Prova in itinere
La seguente prova è di tipo semi-strutturato.
Ogni quesito è del tipo a risposta multipla con risposta chiusa. Inoltre, a corredo di ogni quesito,
vengono sottoposte all’allievo alcune domande con lo scopo di indagare ulteriormente la reale
comprensione della situazione fisica proposta.
Obiettivo della prova in itinere è la verifica di una corretta ed efficace applicazione dei principi
della dinamica e della capacità di saper valutare e riconoscere l’azione di un sistema di forze
nell’ambito della dinamica del punto materiale.
Quesito 1
Un corpo di massa 2kg subisce un'accelerazione orizzontale a=1 m/s2 diretta verso destra per
l'azione di un sistema di 3 forze tutte con direzione orizzontale. Se le 3 forze sono rispettivamente
F1 (diretta verso sinistra), F2 ed F3 (dirette verso destra) di intensità F1=10N, F2=4N, quanto vale F3?
- A: 6 N;
- B: 8 N;
- C: 10 N.
1) Quale deve essere invece il valore di F3 perché il corpo subisca la stessa accelerazione, ma diretta
verso sinistra?
2) Qual è il valore di F3 per cui il corpo rimane fermo?
Tale quesito verifica la corretta applicazione del II principio della dinamica applicato ad un
sistema di forze.
La corretta risposta al test è la B. Risposte alle due domande: 1) F3 =4N; 2) F3 =6N.
Quesito 2
Se l’accelerazione di gravità lunare vale approssimativamente 1/6 di quella terrestre, allora un
astronauta che sulla Luna subisce una forza-peso di 100N, sulla Terra subirà una forza-peso di
circa:
- A: 600 N;
- B: 100 N;
- C: 17 N;
1) Quanto vale la massa dell'astronauta sulla Terra? E sulla Luna?
Tale quesito evidenzia il concetto di forza-peso e di massa, esaminando la loro corretta
comprensione ed applicazione.
La corretta risposta al test è la A. La massa è un invariante m=60 kg circa.
Quesito 3
Al soffitto di una stanza è attaccata una molla di costante elastica 0.1N/cm. Se si appende alla molla
un corpo e all’equilibrio la molla si è allungata di un tratto 10 cm, allora la massa m del corpo
risulta essere circa:
- A: 10g;
- B: 50g;
- C: 100g;
1) Se in questa posizione di equilibrio si aggiunge un'altra massa m alla molla, quale sarà la nuova
posizione di equilibrio?
2) Confrontando la massa in funzione dell'allungamento ottenuto, che tipo di relazione si può
derivare?
3) Quali sono i suoi limiti di applicabilità?
Tale quesito verte sempre sull'applicazione della somma vettoriale delle forze (peso ed elastica)
secondo i principi della dinamica.
La corretta risposta al test è la C. Massa ed allungamento sono, nella situazione proposta, in
proporzionalità diretta, quindi ad una massa doppia corrisponde un allungamento doppio. Il limite
di applicabilità di tale relazione è di considerare allungamenti della molla assai minori rispetto
alla lunghezza a riposo della molla stessa.
Quesito 4
Uno corpo di massa 8kg è fermo su un piano scabro inclinato di α=30° rispetto alla direzione
orizzontale. Quanto vale la forza di attrito statico?
- A: circa 70N;
- B: circa 80N;
- C: circa 40N.
1) Aumentando l'angolo α di inclinazione del piano, la forza d'attrito necessaria per mantenere
l'equilibrio è maggiore o minore?
2) Nel caso limite di α = 90° che succede? Può ancora esserci equilibrio?
Tale quesito evidenzia se l'allievo riesce ad applicare correttamente le regole vettoriali di
scomposizione e somma di un sistema di forze (forza peso ed attrito), collegandole ad una
situazione di equilibrio.
La corretta risposta al test è la C. Aumentando l’angolo di inclinazione, è necessaria una forza
d’attrito statico maggiore: nel caso limite di un angolo di 90° gradi ci può essere equilibrio solo se
la forza d’attrito statico uguaglia esattamente la forza peso.
Quesito 5
Si consideri una carrucola, fissata al soffitto di una stanza, e sulla quale può scorrere (senza attrito)
una fune ai cui estremi sono vincolati due corpi A e B. Se B ha massa doppia rispetto ad A, qual è
l’accelerazione del sistema?
- A: g/3;
- B: g/2;
- C: 2g/3.
1) Qual è il verso dell'accelerazione per il corpo A? E per B?
Tale quesito indaga le conoscenze delle leggi della dinamica applicato ad un sistema di corpi.
La corretta risposta al test è la A. Il corpo A viene accelerato verso l’alto e B verso il basso, quindi
il sistema si muove in modo che A sale e B scende.
Quesito 6
Un corpo di massa m è vincolato ad un filo di lunghezza L e viene fatto ruotare con moto circolare
uniforme su un piano orizzontale. Se si raddoppia la lunghezza del filo, mantenendone costante la
tensione, come varia la velocità angolare  rispetto alla situazione precedente?
- A:  = 1;
- B: 2 =  / 2;
- C: 2 = *2.
1) Se si taglia improvvisamente il filo, quale sarà il moto della massa m?
Il quesito cerca di esaminare la corretta comprensione del concetto di forza centripeta applicato ai
principi della dinamica.
La corretta risposta al test è la B. Se si taglia il filo, la massa m, per la I legge della dinamica, avrà
un moto rettilineo uniforme con velocità vettoriale uguale a quella tangenziale assunta nell’istante
in cui il filo è stato tagliato.
Quesito 7
Si consideri il sistema di due oggetti, legati da una corda, posti su un piano inclinato (le superfici
sono lisce); supponendo che m1=150g e m2=100g, indicare cosa succede al sistema formato dai due
oggetti:
- A: si sposta verso il basso dal lato di m1 con un’accelerazione di circa 0,2 ms-2;
- B: si sposta verso il basso dal lato di m1 con un’accelerazione di circa 2 ms-2;
- C: rimane fermo.
1) Indicare il valore della tensione del filo e il modo con cui viene calcolata.
Tale quesito valuta la conoscenza del concetto di forza peso, del secondo principio e del terzo
principio della dinamica, applicati all’analisi della dinamica di un sistema formato da due corpi.
La risposta esatta è la A (se si sceglie la risposta B vuol dire che, nel calcolo, non si considera la
componente della forza peso, ma la forza peso stessa; se si sceglie la risposta C vuol dire che non
si è compreso il modo di analizzare un fenomeno fisico del genere).
Quesito 8
Due oggetti (m1=200g e m2=100g), legati da un filo, vengono trascinati verso l’alto con una forza F
(F=6N); indicare il valore della tensione del filo:
- A: 6N;
- B: 4N;
- C: 2N.
1) Indicare anche il valore dell’accelerazione con cui il sistema si muove e il modo con cui viene
calcolata.
Tale quesito valuta la conoscenza del concetto di forza peso, del secondo e del terzo principio della
dinamica, applicati all’analisi della dinamica di un sistema formato da due corpi.
La risposta corretta è la C (se si scelgono le risposte A o B vuol dire che il fenomeno fisico non è
stato analizzato correttamente).
Quesito 9
Un oggetto viene trascinato con una forza F di intensità 10 N, secondo quanto indicato nella figura,
per un tratto lungo 80m. Indicare il valore del lavoro che bisogna compiere:
- A: 800J;
- B: 400J;
- C: 400*3J.
Indicare l’espressione analitica per il calcolo del lavoro; indicare sul disegno tutte le forze, oltre
quella già disegnata, che agiscono sull’oggetto.
Tale quesito valuta la conoscenza del concetto di lavoro (e, quindi, la conoscenza del prodotto
scalare) e la capacità di applicare tale concetto a una semplice situazione.
La risposta corretta è la C (se si scelgono le risposte A o B vuol dire, rispettivamente, che non è
stato calcolato un prodotto scalare ma un prodotto normale o che è stato calcolato il prodotto
scalare in maniera sbagliata).
Quesito 10
Un carrello di massa 30Kg viene spinto lungo una strada (di attrito trascurabile), di lunghezza 100m
e caratterizzata da una pendenza di 10°. Indicare il valore del lavoro necessario:
- A: 29400J;
- B: 5105J;
- C: 28953J.
1) Fare un disegno del problema in cui siano indicati la decomposizione opportuna della forza peso
e il valore delle componenti.
2) In presenza di attrito il lavoro necessario sarà maggiore o minore?
Tale quesito valuta la conoscenza del concetto di lavoro applicato a una semplice situazione.
La risposta corretta è la B (se si scelgono le risposte A o C vuol dire che è stato calcolato in
maniera sbagliata il prodotto normale tra forza e spostamento). In presenza di attrito, serve una
forza maggiore per spingere il carrello, quindi anche il lavoro necessario aumenterà.
Quesito 11
Il lavoro di 1J equivale nel sistema c.g.s. a:
- A: 105 g cm2 s-2;
- B: 106 g cm2 s-2;
- C: 107 g cm2 s-2.
Tale quesito valuta la capacità di lavorare con multipli e sottomultipli delle unità di misura.
La risposta corretta è la C.
Quesito 12
Una molla orizzontale di costante elastica 20 N/m, già compressa di 10cm, viene ulteriormente
compressa di 5cm. Indicare il valore del lavoro che bisogna compiere nella seconda compressione:
- A: 0,225J;
- B: 0,025J;
- C: 0,125J.
Indicare l’espressione analitica usata per il calcolo del lavoro.
Tale quesito valuta la conoscenza del concetto di lavoro della forza elastica (e della sua
espressione analitica) e la capacità di applicare tale concetto ad una situazione di media
complessità.
La risposta corretta è la C (se si sceglie la risposta A vuol dire che è stato calcolato il lavoro
necessario per l’intera compressione; se si sceglie la risposta B vuol dire che è stato calcolato il
lavoro, senza tener conto della prima compressione).