Forze, equilibrio e macchine semplici

PERCORSO DIDATTICO : FORZE, EQUILIBRIO, MACCHINE SEMPLICI PREREQUISITI parte 1 for ze ed equilibrio statico essere capaci di riferire su osservazioni e di riferire con descrizioni. Saper operare nel piano cartesiano Saper eseguire semplici calcoli Conoscenza del concetto di proporzionalità tra due grandezze OBIETTIVI DIDATTICI GENERALI •Identificare nella forza il descrittore dell’interazione tra due sistemi fisici •Comprendere la natura vettoriale delle forze •Saper rappresentare le forze per mezzo di vettori e in particolare nelle situazioni di equilibrio proposte. •Riconoscere le interazioni di un corpo con i corpi circostanti e visualizzare le forze di azione e reazione. •Identificare situazioni di equilibrio e le forze agenti
Introduzione del concetto di forza come descrittore dell’interazione tra due sistemi
Attività Esperimenti esplorativi per riconoscere le interazioni tra sistemi, individuare le forze agenti e la loro simmetria. Riconoscimento del peso come forza. INTERAZIONI A CONTATTO 1. Giocare a tirarsi e spingersi a due a due facendo in modo che sia prima uno a spingere, poi l’altro, poi entrambi 2. Giocare in due a spingersi seduti su sedie con ruote girevoli facendo in modo che sia prima uno a spingere, poi l’altro, poi entrambi 3. Lanciare una palla contro il muro 4. Esperienze con le molle come indicatori di forza INTERAZIONI A DISTANZA 1. Esame del comportamento di striscioline di scotch trattate nello stesso modo e di striscioline di scotch trattate in modo diverso per mettere in evidenza forse di attrazione e repulsione. 2. Studio di interazione tra magneti con polarità uguale e con polarità diversa. 3. Studio dell’Interazione magnete – moneta e moneta – magnete 4. Esperienza con la molla per comprendere che il peso è una forza.
STEP 2 In questa fase si considera una delle esperienze fatte precedentemente, l’allungamento della molla sotto l’azione di una forza , con lo scopo di raggiungere i seguenti obiettivi: Obiettivi Comprendere che l’allungamento di una molla dipende dalla forza che le viene applicata Comprendere che la molla si oppone alla forza applicata con una forza di reazione che chiamiamo forza elastica Identificare la condizione di equilibrio della molla Identificare le forze che agiscono sulla molla quando è in equilibrio Comprendere che esiste una proporzionalità diretta tra la forza applicata alla molla e il suo allungamento che ci fornisce la misura della forza elastica Individuare la relazione tra forza elastica e allungamento della molla: legge di Hooke Comprendere che la molla può essere utilizzata per misurare una forza Attività Esperienza :Studio dell’allungamento di una molla
DINAMOMETRO
STEP 3 In questa fase verranno messe in evidenza situazioni di equilibrio dei corpi al fine di evidenziare non solo l’interazione tra sistemi e le forze agenti , ma anche riconoscere che sono uguali ed opposte e che il valore della risultante delle forze all’equilibrio è nullo e il significato di reazione vincolare. Obiettivi § § § § § § § Comprendere il principio di azione e reazione Comprendere che dal momento che la forza rappresenta una interazione, a ogni forza ne corrisponde una uguale ma di verso opposto Comprendere che all’equilibrio la risultante delle forze è nulla Riconoscere le forze che mantengono in equilibrio un oggetto su un piano orizzontale Consolidare il concetto che il peso è una forza che descrive una interazione a distanza e i suoi effetti Comprendere il significato di reazione vincolare Comprendere che la reazione vincolare è sempre perpendicolare al piano
Attività Esperienza :corpo in equilibrio sotto l’azione di due forze Esperienza : corpo appoggiato su piano fisso Esperienza :corpo appoggiato su un piano mobile
EQUILIBRIO DI UN CORPO SOTTOPOSTO A DUE FORZE
STEP4 Ci si propone di consolidare il concetto di equilibrio, la capacità di individuare le forze che agiscono su un corpo in equilibrio e la loro risultante, individuare intensità direzione e verso delle forze coinvolte per condurre successivamente i ragazzi alla loro rappresentazione formale per mezzo dei vettori. Si introduce la possibilità di scomporre una forza nelle sue componenti e di calcolare la risultante per mezzo della regola del parallelogramma
Attività: Esperienza : Equilibrio su un piano inclinato
STEP 5 In questa fase si ripercorre tutto l’itinerario didattico svolto modellizzando le situazioni viste e rappresentando con l’utilizzo dei vettori le situazioni di equilibrio esaminate
FASE 2 EQUILIBRIO DI UN CORPO ESTESO ­ LE LEVE OBIETTIVI DIDATTICI GENERALI •Saper rappresentare le forze per mezzo di vettori e in particolare nelle situazioni di equilibrio proposte. •Identificare situazioni di equilibrio e le forze agenti. •Comprendere il significato di momento delle forze. •Riconoscere i concetti precedenti nella loro applicazione a macchine semplici quali le leve PREREQUISITI
· Conoscere la natura vettoriale delle forze. • Saper rappresentare le forze per mezzo di vettori
Step 1
Attraverso semplici esperienze si indaga sul comportamento dei corpi a cui si applica una forza che produce movimento di traslazione o di rotazione: forza applicata ad un corpo rigido nelle seguenti situazioni: 1) nel suo centro di massa, è il caso in cui la forza applicata produce traslazione in un corpo appoggiato, o equilibrio indifferente in un corpo sospeso; 2) in un punto distante dal centro di massa. In questo caso si produce una rotazione nel corpo appoggiato, una rotazione nel corpo sospeso. Queste situazioni permettono di indagare sull’equilibrio di un corpo rigido (stabile, instabile, indifferente). Obiettivi specifici. •Riconoscere che una forza applicata fuori dal centro di massa di un corpo sospeso produce un movimento di rotazione. •Comprendere che per la loro descrizione formale è insufficiente il modello del punto materiale; •Riconoscere qualitativamente l’importanza della distanza tra il punto d’applicazione della forza e un punto di riferimento (asse di rotazione). •Riconoscere che i fenomeni indagati richiedono l’introduzione di una nuova grandezza: il momento di una forza. •Individuare la relazione di equilibrio per una bilancia.
Attività.
· penna , libro che ruotano per l’azione di una forza impulsiva,
· bilancia indifferente (equilibrio indifferente)
· sagoma irregolare sospesa (ricerca del baricentro di un corpo non omogeneo)
Si propone un’esperienza finalizzata che permetta di sperimentare come variano i parametri in gioco individuati (forze, distanze tra asse di rotazione e punto di applicazione della forza,) da svolgersi in gruppi a rotazione. L’obiettivo è rendere consapevoli gli alunni che i fenomeni indagati richiedono l’introduzione di una nuova grandezza: il momento di una forza. Si giunge a concludere la relazione formalizzata di equivalenza tra i momenti di due forze applicate ad un corpo rigido. Questo permetterà di fare previsioni su situazioni nuove ma riconosciute come appartenenti alla stessa tipologia di oggetti.
Obiettivi •Riconoscere come varia l’equilibrio di una bilancia al variare della forza applicata. •Riconoscere come varia l’equilibrio al variare del punto di applicazione della forza (quindi della distanza dal perno). •Riconoscere le relazioni reciproche tra fulcro, forza resistente e forza equilibrante. •Saper fare previsioni su situazioni nuove, ma fenomenologicamente simili. •Saper riconoscere in base alle reciproche posizioni di fulcro, resistenza e forza equilibrante, le leve di primo secondo e terzo genere. •Saper riconoscere le leve vantaggiose, indifferenti, svantaggiose.
Attività.
· Equilibrio di una guida omogenea.
· Sistema maniglia­porta
· Le leve: (sagome di braccio, testa, piede) corpi girevoli attorno ad un punto (non centrale).
EQUILIBRIO DI UNA GUIDA MOBILE
LEVE