Introduzione alla didattica della fisica

Introduzione alla didattica
della fisica
Aurelio Agliolo Gallitto
Dipartimento di Fisica e Chimica
Università di Palermo
Testi consigliati
A. B. Arons
Guida all'insegnamento della fisica,
Zanichelli (Bologna) 1992
TFA - A.A. 2014/2015
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker
Fondamenti di fisica. Meccanica, termologia,
CEA VI Ed. (Milano) 2006
Didattica laboratoriale della fisica
2
Testi di approfondimento
Focardi, Massa, Uguzzoni
Fisica generale, CEA (1999)
TFA - A.A. 2014/2015
Allasia, Montel, Rinaudo
La fisica per maestri,
Cortina (2010)
Didattica laboratoriale della fisica
J. R. Taylor
Introduzione all'analisi degli
errori, Zanichelli II Ed. (1999)
3
Difficoltà concettuali e di ragionamento
nello studio della meccanica (1)
Lacune fondamentali nella preparazione di base
•
–
Relazioni funzionali: grafici
Per esempio:
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Difficoltà concettuali e di ragionamento
nello studio della meccanica (2)
–
Relazioni tra lunghezza, area e volume
Per esempio:
fattore di scala 1:1.8
V2 = (1.8)3 V1
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Cinematica (1)
•
•
Eventi e istante di tempo
Differenza tra posizione e spostamento
Sistema di riferimento
Posizioni della pallina
Intervalli di tempo: differenza tra
istanti di tempo successivi
Spostamento: differenza tra
posizioni successive
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Cinematica (2)
•
Descrizione delle leggi cinematiche con grafici
[Arons, 1992]
[Arons, 1992]
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Cinematica (3)
Descrizione delle leggi cinematiche con grafici
•
–
Relazione tra velocità e accelerazione:
se v = 0 non necessariamente a = 0
v
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s
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a
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Cinematica (4)
•
Descrizione delle leggi cinematiche con grafici:
corpo in caduta libera nelle varie condizioni iniziali e nei
differenti sistemi di riferimento
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Legge di inerzia: definizione
qualitativa di FORZA
Come definire l’azione che fa cambiare il moto di un oggetto?
Per rappresentare le caratteristiche delle azioni che si
esercitano su un corpo da parte dell’ambiente si introduce il
concetto di FORZA.
Le FORZE possono produrre sia effetti dinamici sia deformazioni
Nota: questa legge afferma anche che se esiste un sistema di
riferimento inerziale ne esistono infiniti e sono tutti e solo quelli
che si muovono rispetto al primo di moto rettilineo uniforme
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Dinamica: come misuriamo la forza
Una molla sollecitata da una forza F di
trazione si allunga, sollecitata da una forza di
o compressione si accorcia.
Se la molla non viene deformata oltre il limite
di elasticità, cioè se la molla non viene
allungata o compressa troppo, la
deformazione x è proporzionale alla forza
applicata
F∝x
[Serway, 2009]
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La forza è un vettore
[Serway, 2009]
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Composizione e scomposizione di
vettori
[Serway, 2009]
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Somma di vettori:
regola del parallelogramma
[Serway, 2009]
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Un altro esempio di grandezza
vettoriale: il vettore spostamento
[Serway, 2009]
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Apparato sperimentale per lo studio
delle forze
[Ragozzino, 2007]
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L'equilibrio delle forze:
il paradosso del ‘maggiordomo’
[Serway, 2009]
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II legge della dinamica:
definizione operativa di FORZA
[Arons, 1992]
Se a = costante, anche l’allungamento della molla è costante.
Allora, possiamo costruire una scala di forze.
Nota: Vedere anche “La fisica del PSSC” su YouTube
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II legge della dinamica:
definizione operativa di FORZA
Se a = costante, anche l’allungamento della molla è costante.
Costruiamo il grafico di F vs. a
Dal grafico si vede la relazione
di proporzionalità tra F e a
Dal grafico si ottiene quindi la II
legge della dinamica:
F=ma
Nota 1: Evitare la circolarità delle definizioni.
Nota 2: i libri in cui la forza è considerata come un concetto ‘primitivo’ che
non necessita di una definizione operativa non sono didatticamente di aiuto
per gli studenti.
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Peso e massa
Distinguere la MASSA dal PESO.
p.e.
La frase: << 3 kg peso si riferisce a un corpo su cui la terra esercita
una forza di 3 x 9.8 = 29.4 N >>
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Massa gravitazionale e massa inerziale
• La massa inerziale indica la "resistenza" che un corpo oppone alla variazione del
suo stato di moto: se applichiamo una stessa forza a due corpi diversi, otteniamo
differenti accelerazioni.
Possiamo definire la massa inerziale come il rapporto:
m = F/a
• La massa gravitazionale indica la "capacità" che hanno i corpi di attrarsi: la forza
che si esercita tra i due corpi è direttamente proporzionale alle masse dei corpi
ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (calcolata rispetto
ai loro centri di massa)
Qual è il legame fra i due tipi di massa?
L'esperienza mostra che massa inerziale e massa gravitazionale sono legate.
Fino ad ora è stato verificato che massa inerziale e massa gravitazionale coincidono (con
grande precisione). Questo risultato non è ovvio, tanto da rappresentare una nuova legge
della natura, che Einstein chiamò principio di equivalenza.
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III legge della dinamica
Questa legge aggiunge un tassello fondamentale e non può
essere ignorata!
1. Occorre fare attenzione alla enunciazione.
La seguente: “ad ogni azione corrisponde una reazione”
non viene spesso compresa dagli studenti!!!
È meglio la seguente: “se un corpo A esercita una forza su un
corpo B, allora il corpo B eserciterà sul corpo A una forza
uguale e opposta”.
2. Forze vincolari: forze passive
3. Diagrammi di forza
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Applicazioni delle leggi della
meccanica (1)
Significato di g
Il simbolo g viene considerato una forza
Non ha alcun collegamento con l’accelerazione a
…
Il concetto di vuoto e l’esperimento con la piuma e il sassolino
Esperimento molto istruttivo per comprendere il ruolo della forza di
gravità e il ruolo dell’aria nei problemi di corpi in caduta libera
…
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Applicazioni delle leggi della
meccanica (2)
Massa e peso: forza peso e forza di contatto
Quando teniamo un oggetto sollevato, “non sentiamo il peso del corpo”
ma “sentiamo la forza di contatto che il corpo esercita su di noi”.
Sebbene queste due forza abbiano la stessa intensità, esse sono forze
differenti (v. figura sopra).
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Applicazioni delle leggi della
meccanica (3)
La macchina di Atwood: esperimenti con pesi
uguali ma forma differente
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Applicazioni delle leggi della
meccanica (4)
Corde e tensione: corde con massa
Definizione di Tensione della fune
La tensione è l’intensità della forza che si
esercita su entrambi i segmenti di fune nella
stessa direzione della tangente alla fune nel
punto considerato. Per questo motivo, la
tensione è una grandezza scalare!
Corde e tensione: corde prive di massa
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Problemi di linguaggio
Esempio 1. L’affermazione: “la forza fa muovere un corpo”
tende a rafforzare il concetto aristotelico di moto!
Meglio dire: “la forza fa accelerare un corpo”
Esempio 2. L’affermazione: “la forza vince l’inerzia del
corpo” induce negli studenti l’idea che l’inerzia sia una forza!
Esempio 3. Distinguere tra “forze impulsive” e “forze che
agiscono continuamente”.
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Sitografia
YouTube - La fisica del PSSC: Sistemi di riferimento
YouTube - La fisica del PSSC: Inerzia e moto (I parte)
YouTube - La fisica del PSSC: Inerzia e moto (II parte)
YouTube - Open courses at MIT: Lezioni di meccanica del prof. Walter Lewin
YouTube Education
MIT Tech TV: techtv.mit.edu
Software di analisi (gratuito)
scidavis.sourceforge.net
www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/
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Bibliografia
• Allasia, Montel, Rinaudo (2010) La fisica per maestri, Cortina
• A. B. Arons (1992) Guida all'insegnamento della fisica, Zanichelli
• D. Halliday, R. Resnick, J. Walker (2006) Fondamenti di
fisica. Meccanica, termologia, CEA VI Ed.
• E. Ragozzino (2007) Principi di fisica, EdiSES
• R. A. Serway, R. J. Beichner (2009) Fisica, EdiSES
• J. R. Taylor (1999) Introduzione all'analisi degli errori, Zanichelli II Ed
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