Prodotto realizzato con il contributo della Regione Toscana
nell'ambito dell'azione regionale di sistema
Laboratori del
Sapere Scientifico
ELETTROSTATICA
UN NUOVO APPROCCIO PER I RAGAZZI
Classe quarta liceo scientifico
COLLOCAZIONE DEL PERCORSO NEL CURRICOLO VERTICALE
Il percorso è stato pensato nella parte finale della classe quarta del Liceo Scientifico, come
introduzione ai fenomeni di elettrostatica. Le Indicazioni nazionali per il liceo scientifico
prevedono l’introduzione di argomenti di fisica «moderna» nella classe quinta, anche in
vista della seconda prova dell’esame di stato. E’ stato dunque necessario anticipare alla
classe quarta alcuni argomenti quali l’elettrostatica, il campo elettrico e il potenziale
elettrico (come peraltro previsto dalle Indicazioni stesse). Si tratta di concetti piuttosto
elaborati dal punti di vista teorico, con una base matematica complessa. Abbiamo pensato
che presentarli in maniera sperimentale, riflettendo sui fenomeni che si osservano in
questo campo potesse fornire un approccio più proficuo. Come prerequisiti riteniamo sia
necessario aver affrontato il modulo di gravitazione avendo già anticipato alcune riflessioni
su azione a distanza e campo di forza. Il percorso è stato svolto da tre colleghi diversi in
tre sezioni differenti.
OBIETTIVI ESSENZIALI DI APPRENDIMENTO
• I vari metodi per elettrizzare i corpi: strofinio, contatto e induzione. Differenze e
analogie. Da questa pratica ricavare l’idea che esistono due tipi di carica.
Differenze fra i materiali rispetto al comportamento delle cariche.
• L’interazione elettrica: caratteristiche di questa «nuova» forza.
• L’azione a distanza dell’interazione elettrica: il campo attraverso la sua
rappresentazione con linee di campo. Esistenza «fisica» delle linee e loro
visualizzazione.
• L’utilizzo delle cariche per produrre «movimento» attraverso la costruzione
diretta di un motorino elettrostatico.
APPROCCIO METODOLOGICO
Abbiamo cominciato con la presentazione dei fenomeni da parte dell’insegnante senza fornire
spiegazioni, in modo da suscitare domande e discussioni. Abbiamo utilizzato l’elettroscopio
senza spiegarne il funzionamento, per tentare di stimolare un atteggiamento attivo da parte
degli alunni. Sono loro che posti di fronte a certi fenomeni si devono porre le domande e dare le
risposte.
Solo dopo una discussione in classe (anche con l’ausilio del libro di testo) abbiamo portato gli
alunni in laboratorio perché lavorassero autonomamente, seguendo una scheda guidata (che
avrebbe poi costituito anche la verifica dei concetti acquisiti).
Abbiamo analizzato in maniera approfondita a questo punto anche quanto scritto nel libro di
testo; il libro deve fornire, in questo caso, una risistemazione organica di quanto verificato
sperimentalmente. Abbiamo poi affrontato alcune esperienze più complesse, che coinvolgevano
più fenomeni, tentando anche in questo caso una spiegazione sulla base di quanto visto
precedentemente.
Infine, si è provato a stimolare la curiosità e a sviluppare le capacità pratiche (così poco al centro
dell’attenzione in un liceo!) con la costruzione di un motorino elettrico che sfrutta le proprietà
viste in precedenza.
MATERIALI, APPARECCHI UTILIZZATI
Abbiamo cercato di utilizzare per lo più materiale di facile reperimento, materiale
cioè di tutti i giorni che può essere trovato in ogni casa: stoffe varie, PVC, vetro,
plexiglass, teflon, barattoli, filo di ferro, foglio di alluminio alimentare, palloncini,
polistirolo, provetta in vetro, bottiglie in plastica, asta in metallo, acqua saponata,
cannuccia per fare bolle e altro (il dettaglio dei materiali si trova nelle slides al
momento del loro utilizzo negli esperimenti)
Unica eccezione il generatore di Wimshurst, che abbiamo a disposizione nel
nostro laboratorio di fisica.
In particolare, fin da subito abbiamo invitato i ragazzi a costruirsi un elettroscopio
come strumento principale per indagare la condizione dei corpi rispetto alle
cariche elettriche.
AMBIENTI IN CUI IL PERCORSO SI È SVILUPPATO
Avendo scelto un percorso che parte dalle esperienze, il luogo principale è stato il
laboratorio di fisica, dove l’uso dei banchi di lavoro e il lavoro in gruppi ha permesso il
costituirsi di relazioni differenti, e più produttive, per un lavoro sperimentale in cui
spesso la strada non è segnata e lineare ma soggetta a ripensamenti e percorsi
circolari.
Alcune lezioni di carattere teorico sono state svolte in aula, in maniera frontale, anche
con l’uso del libro di testo. Alcune esperienze condotte dall’insegnante posso essere
svolte anche in aula, anche al fine di svincolare l’aula dal classico approccio e
coinvolgere maggiormente i discenti. Gli alunni hanno anche lavorato in maniera
autonoma a casa. Speriamo inoltre che l’utilizzo di oggetti di uso quotidiano abbia in
taluni stimolato l’osservazione del mondo, cercando di sviluppare l’idea che la fisica è
intorno a noi e il suo oggetto è il mondo che ci circonda e i suoi fenomeni.
TEMPO IMPIEGATO
• Per la messa a punto del percorso dobbiamo distinguere due tipi di impegni. Un primo impegno di
carattere generale, relativo al tipo di approccio e all’impostazione di un lavoro sperimentale è stato
dilatato per tutto il triennio di LSS, essendo stato oggetto anche di incontri con formatori esterni. In
questi incontri del gruppo di lavoro non era al centro della discussione questo percorso in maniera
specifica. Tempo circa 10 ore.
•
Il secondo tipo di impegno, invece, è quello che ha coinvolto questo tipo di percorso specifico, in
particolare, per adattarlo alla specifica classe. Si tratta di un approccio più volte tentato anche nel
passato ma senza l’organicità con la quale abbiamo proceduto in questo caso. Tempo circa 4 ore di
riunioni, più altre 8 ore da parte di ciascun insegnante per la preparazione delle esperienze
• Tempo scuola: tre ore in laboratorio per eseguire gli esperimenti e ragionare sui dati che
emergevano. Tre ore in classe su rielaborazione teorica (con uso del libro di testo) e discussione
sulle possibili spiegazioni dei fenomeni visti ed elaborati precedentemente. Due ore per la parte
finale del percorso da parte dei ragazzi, con lo svolgimento della scheda conclusiva.
• La documentazione del percorso da parte degli insegnanti coinvolti è stata senza dubbio la parte
più onerosa svolta in quattro incontri fra i tre insegnanti che hanno sviluppato il percorso nelle
proprie classi (otto ore) e in circa dieci ore di lavoro singolo dedicato alle foto degli apparati, alla
raccolta dei materiali prodotti dagli alunni, alla compilazione della presentazione.
Esperienze di fisica
Esperienze di fisica
Esperienze di fisica
BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA
• J. WALKER, Dalla meccanica alla fisica moderna, volume 2, Linx (libro di testo)
• J. C. SIDDONS, Esperienze di fisica, AIF, Quaderni n. 15, 2004
• A. D. MOORE, L’elettricità statica. Zanichelli, 1970.
• http://madscientist.altervista.org/elettr/elettrost/motelettrost/motelettrost.htm
INTRODUZIONE ALL’ELETTROSTATICA
Presentazione in classe/laboratorio dei fenomeni
legati all’elettrostatica facendo uso di un
elettroscopio e materiali vari (stoffe varie, PVC,
vetro, plexiglass, teflon, …) senza la spiegazione
del funzionamento dell’elettroscopio.
Abbiamo strofinato con stoffe i vari materiali e mostrato agli alunni i classici
esperimenti di elettrostatica :
• Attrazione di piccoli pezzi di carta
• Interazione tra corpo elettrizzato e elettroscopio (l’elettroscopio è visto come
uno strumento in grado di mostrare una proprietà del corpo strofinato)
• Interazione con gli altri oggetti strofinati
• Differenze nel comportamento tra conduttori e isolanti
Da questi esperimenti si fa strada la dipendenza della forza dalla distanza
Questi esperimenti sono stati condotti dal docente aprendo una discussione con
gli alunni.
Abbiamo quindi iniziato lo studio della teoria
relativamente a quanto visto, col supporto del libro di
testo, cercando di dare interpretazione agli
esperimenti visti.
Abbiamo invitato gli alunni a costruire un elettroscopio
con materiale povero (barattolo, filo di ferro, foglio di
alluminio alimentare ecc…) e sperimentare a casa
quanto visto a scuola.
Abbiamo dato meno indicazioni possibile, in modo che
gli alunni escogitassero autonomamente approcci e
soluzioni al problema.
Un elettroscopio autocostruito
Quindi li abbiamo portati in laboratorio, divisi in gruppi. Abbiamo messo a
loro disposizione materiali vari e assegnato una scheda di lavoro con attività
da svolgere e domande a cui rispondere per mezzo di esperimenti.
I vari gruppi sono stati lasciati liberi di sperimentare come volevano. Dopo una
prima fase in cui gli studenti hanno fatto prove curiosando anche un po' a
caso, sono partiti con gli esperimenti richiesti.
Le slides seguenti illustrano le domande contenute nella scheda, alcune
risposte dei ragazzi e alcuni commenti sulle difficoltà incontrate dai gruppi di
lavoro da parte dei docenti.
•
Palloncino
•
Mylar
•
Polistirolo
•
Lattina vuota
•
Provetta in vetro
•
Bottiglie in plastica
•
Aste in PVC
•
Tubo in teflon
•
Fogli in polietilene
•
Stoffe in poliestere, lana
•
Asta in metallo
•
Acqua saponata e cannuccia per
fare bolle
Con la lana strofina alcuni dei materiali e verifica
che si carichino. Come lo verifichi?
Come fai a verificare se un materiale è
isolante o conduttore?
Un gruppo ha risposto nella maniera seguente:
E’ possibile verificare se un materiale è isolante o conduttore caricandolo e mettendolo a
contatto con un elettroscopio. Si osserva che le lamine dello strumento inizialmente si
allontanano, poi, se l’oggetto carico è un conduttore, quando lo separerò dall’elettroscopio,
si noterà che le lamine rimarranno separate; viceversa, se è un isolante si riavvicineranno.
Le lamine rimangono separate perché essendoci stato un passaggio di cariche tra
l’oggetto conduttore e l’elettroscopio, dopo il distacco questo rimane carico; le lamine
avranno un eccesso di carica dello stesso segno e si respingeranno.
Importante: ai vari gruppi non era stato
fornito alcun elettroscopio, ma la barra di
metallo posta sopra le due bottiglie
isolanti e il nastro di mylar poggiato su
un'estremità dell'asta è diventato
automaticamente il loro elettroscopio,
nonostante la diversità rispetto a quello
visto in classe e costruito a casa.
Gonfia un palloncino e strofinalo con la lana, poi fai delle bolle di
sapone e osserva come interagiscono col palloncino. Sapresti
spiegare il comportamento delle bolle?
Commento del
docente: buona parte
dei gruppi ha parlato
di polarizzazione e
non di induzione.
Non è facile però
arrivare a capire che
le bolle sono
conduttrici …
Prendi una borsa della spesa e fai una frangia con un rettangolo
ritagliato da questa. Strofinala con la lana e osserva come
interagisce col palloncino anch’esso strofinato con la lana. Sai
spiegare il comportamento della frangia di polietilene?
Un gruppo ha risposto così:
Abbiamo notato che le frange si
respingono, questo avviene perché
hanno un eccesso di cariche dello
stesso segno.
Prendi due bottiglie in plastica e poggiaci sopra l’asta metallica. Ad
un’estremità appoggia un nastro di mylar facendo pendere due parti
uguali dai due lati e fissalo con un po’ di scotch. Avvicina il
palloncino all’estremità opposta al mylar. Sai spiegare cosa
succede?
Usando l’apparato precedente, tocca l’estremità dell’asta metallica
opposta al mylar con la mano e senza staccarla metti in contatto
dalla stessa parte anche il palloncino. Osserva cosa succede. Quindi
stacca la mano, dopo il palloncino. Sai spiegare cosa succede?
Risposta 1: il palloncino induce il passaggio di cariche dal mio corpo all’elettroscopio, infatti
togliendo la mano l’elettroscopio rimane carico e le lamine si allontanano
Risposta 2: si appoggia una mano sull'asta di rame, perciò ogni carica presente sulla superficie di questa
viene scaricata a terra, perché il corpo umano è conduttore. Se, vicino alla mano, si poggia sull'asta un
palloncino caricato per strofinio, le strisce di mylar restano ferme: ciò accade perché il rame è
conduttore, quindi permette agli elettroni del palloncino carico di passare attraverso l'asta sulla mano, e
di essere scaricati a terra. Togliendo la mano, rimane un sistema complessivamente neutro. Una volta
allontanato il palloncino si osserva che le strisce di mylar si respingono vicendevolmente, perché i
elettroni presenti sull'asta, riprendono a coprire tutta la superficie di quest'ultima e anche sul mylar (che
risente di una forza repulsiva dovuta ai protoni presenti sull'asta e ai protoni presenti sul mylar).
Risposta 3: quando appoggio il palloncino sull’asta di metallo questo permette un passaggio
di carica dalla mano all’elettroscopio, notiamo infatti che quando cessa il contatto fra la
mano e l’asta l’elettroscopio rimane carico e le foglie di mylar si respingono.
Commenti.
1. L’ultima domanda è quella che ha posto maggiori problemi ai gruppi,
qualcuno non ha ben compreso quanto accadeva, altri pur avendo
compreso nelle linee essenziali il fenomeno non è riuscito a giustificarlo
nei dettagli sulla base di quanto ricavato dalle esperienze precedenti. In
ogni caso i gruppi si sono posti di fronte a questa ultima esperienza
(piuttosto complessa) nella maniera giusta, provando a trovare una
spiegazione da soli in maniera autonoma. La spiegazione in questo caso
era più complessa perché richiedeva di collegare tutte le conoscenze
ricavate precedentemente.
2. Nonostante l’aspetto fosse molto diverso dall’elettroscopio presentato a
lezione, l’asta sulle bottiglie è stata chiamata elettroscopio da diversi
gruppi, segno della comprensione del comportamento dell’apparato.
Abbiamo quindi alternato lezioni di teoria a lezioni in laboratorio. Riportiamo di
seguito ciò che abbiamo analizzato dal punto di vista sperimentale.
BARATTOLO CON PALLONCINO
Abbiamo attaccato delle strisce di mylar a un
barattolo metallico, attaccandole sia al bordo
che al corpo centrale. All’interno abbiamo
messo un palloncino caricato.
Come si interpreta quanto accade al barattolo?
Con il palloncino ancora all’interno cosa
accade se si tocca il barattolo dall’esterno?
Cosa succede se ora si toglie il palloncino
dall’interno?
In ogni fase si è aperta la discussione libera in
classe
Altre situazioni interessanti
Se si tocca con un dito il barattolo …
Dopo anche senza palloncino …
LINEE DI CAMPO (1)
Per visualizzare le linee di campo elettrico abbiamo utilizzato del pepe, precedentemente
«filtrato» con un colino, e dell’olio di semi. Abbiamo quindi inserito degli elettrodi
collegati a un generatore di Wimshurst
Assenza di carica
Asta carica
LINEE DI CAMPO (2)
Cariche puntiformi segno opposto
Condensatore a facce piane e parallele
MOTORE ELETTROSTATICO
Abbiamo concluso il nostro percorso mostrando cosa «possono fare» le cariche,
costruendo un motorino.
Si tratta di un semplice motore elettrostatico, costruito con due conduttori
cilindrici (vanno bene anche delle lattine in alluminio), un po' di filo di rame, una
bottiglia in plastica, rettangoli di foglio di alluminio e un generatore di
Wimshurst.
Abbiamo dato a ciascun gruppo lo schema dell'apparecchio da realizzare ed
abbiamo lasciato la piena libertà sulla sua costruzione, mettendo a disposizione
tutto il materiale che immaginavamo potesse servire.
SCHEMA DEL MOTORE ELETTROSTATICO
Immagine tratta dal sito
http://madscientist.altervista.org/elettr/elettrost/
motelettrost/motelettrost.htm
FOTO DEL MATERIALE A DISPOSIZIONE PER LA
COSTRUZIONE DEL MOTORINO
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•
•
•
•
3 basi di legno
1 bottiglietta di plastica
Pezzetti di fogli di alluminio
2 pezzetti di filo di rame (rigido)
Perno da fissare alla base
2 cilindri metallici (lattine)
2 pezzi di polistirolo
Una volta terminato il montaggio, abbiamo collegato i due conduttori
al generatore di Wimshurst, che li ha caricati di segno opposto. Se
l'apparecchio funziona, la bottiglia si mette a girare velocemente.
FILMATO DEL MOTORE IN FUNZIONE
Il funzionamento del motore si basa sulla repulsione/attrazione
elettrostatica:
la carica elettrica passa dal generatore ai due cilindri e, da questi,
attraverso i fili di rame, con densità di carica molto elevata perché
appuntiti, passa ai fogli di alluminio, che così vengono respinti
perché caricati con lo stesso segno del conduttore collegato al filo,
e allo stesso tempo attratti dall'altro cilindro caricato di segno
opposto. Tutto questo si ripete ad ogni giro e la bottiglia si
mantiene in rotazione mentre il generatore è in funzione.
VERIFICHE DEGLI APPRENDIMENTI
I percorsi, come detto, sono stati sviluppati in maniera analoga da tre colleghi
differenti in tre sezioni diverse. Le verifiche degli apprendimenti si sono
differenziate: in una sezione si è proceduto alla compilazione di una scheda finale
da parte dei ragazzi, mentre nella altre due la verifica è stata orale.
Le domande orali sono analoghe a quanto si trova nella scheda in maniera più
organica e organizzata.
Scheda di verifica finale
Due esempi di relazione
RISULTATI OTTENUTI
Nella descrizione di alcune esperienze abbiamo inserito i commenti dei docenti
che costituiscono un’analisi puntuale degli apprendimenti. In particolare abbiamo
individuato alcuni snodi concettuali che tipicamente vengono con più facilità
acquisiti. L’elettroscopio è ben compreso come testimonia il riconoscimento dello
strumento a prescindere dalla sua sua struttura esteriore. L’induzione, invece, è
un fenomeno che difficilmente viene individuato. Gli alunni sembrano acquisire
con più facilità l’elettrizzazione per contatto e la polarizzazione (introdotta e
spiegata con l’ausilio del libro di testo) cui tutti i fenomeni vengono ricondotti.
Infine il movimento delle cariche con la «messa a terra» tramite contatto con il
corpo umano, costituisce uno scoglio concettuale che solo con l’ausilio del
docente e del libro di testo riesce, piano piano, a essere compreso, fatto proprio e
superato.
EFFICACIA DEL PERCORSO DIDATTICO (1)
• Maggiore facilità nella formazione del concetto di carica elettrica e nella
consapevolezza che la presenza di cariche «provochi» una forza. Positiva è stata
l’efficacia del vedere in azione questa forza, nel poterla «controllare» e usare.
• Essere in grado di produrre i fenomeni desiderati ha costruito una consapevolezza
che raramente i discenti acquisiscono, in altri contesti.
• Molti più alunni (la quasi totalità, si veda più avanti) ha mostrato di essere
consapevole della necessità di «giustificare» le proprie conclusioni.
• Sui fenomeni più semplici quasi tutti sono riusciti a mettere in pratica quanto detto,
giustificando e argomentando correttamente.
EFFICACIA DEL PERCORSO DIDATTICO (2)
• Il concetto di campo, grazie alla visualizzazione fisica, reale delle linee di campo si è
presentato in maniera un poco più naturale del solito, senza ovviamente, nascondere
le difficoltà teoriche insite soprattutto nella sua formalizzazione matematica
• Purtroppo alcuni alunni hanno costruito negli anni un approccio negativo nei
confronti della fisica e in questi casi, anche la nuova metodologia utilizzata non è
riuscita efficace, per una sorta di rifiuto della materia. La soluzione potrebbe essere
cominciare fin dal primo biennio a costruire una diversa consapevolezza individuando
alcune unità didattiche (anche solo una o due l’anno) da trattare con questo approccio
più fenomenologico.
• Proprio per queste ragioni, il percorso proposto, di carattere essenzialmente
sperimentale può essere affrontato in una classe seconda, limitando lo studio
dell’elettrostatica a questa prima parte.
