Durata presunta: circa 13 lezioni (da 45 minuti ciascuna)
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WP3 L’elettricità a corrente continua Scienza e Tecnologia Europee in Azione per Creare Collegamenti fra Industria, Scuola e Casa Work Package 3 La corrente elettrica continua Scienza e Tecnologia Europee in Azione Creare Collegamenti fra Industria, Scuola e Casa Partner capofila: UPJS Versione: Il Progetto ESTABLISH è stato finanziato dal Settimo Programma Quadro della Comunità Europea [FP7/2007-2013] nell'ambito della convenzione di sovvenzione no 244749 Data di inizio: 1 gennaio 2010 Durata: 48 mesi Lista o La ricerca che ha portato a questi risultati è stata finanziata dal Settimo Programma Quadro della Comunità Europea [FP7/2007-2013] LIVELLO DI DIVULGAZIONE PU Pubblico PP Riservato ai partecipanti al programma (compresi i Servizi della Commissione) RE Riservato a un gruppo indicato dal consorzio (compresi i Servizi della Commissione) CO Confidenziale, solo per i membri del consorzio (compresi i Servizi della Commissione) Cronologia dei Documenti DATA DI PUBBLICAZIONE VERSIONE Pagina 2 di 39 ESTABLISH MODIFICHE APPORTATE / MOTIVAZIONE DELLA PUBBLICAZIONE √ A. Informazioni per l’Insegnante I. Descrizione dell’Unità Nell’unità sulla corrente elettrica continua gli studenti: Approfondiscono il concetto di corrente elettrica e le basi dei circuiti elettrici a corrente continua. Studiano un semplice circuito elettrico, la conduttività di diversi materiali e come misurare la corrente e il voltaggio. Apprendono che la differenza di potenziale ai capi di un conduttore causa corrente all’interno dello stesso. Indagano il comportamento di diversi elementi elettrici nei circuiti a corrente continua. Viene loro presentato il concetto di resistenza elettrica e ne analizzano la dipendenza dalla temperatura. Imparano il modello della conduttività elettrica e il collegamento in serie e in parallelo dei resistori. Scoprono l’effetto della corrente elettrica sul corpo umano. Prendono confidenza con l’energia elettrica e la potenza liberata nel circuito. Analizzano inoltre semplici fonti elettrochimiche nonché il comportamento di un vero generatore di forza elettromotrice e i suoi parametri. Imparano le proprietà della batteria. Scopo della presente unità non è trattare tutti i contenuti fisici relativi alla corrente elettrica continua, ma proporre attività basate sull’indagine scientifica per sostenere l’insegnamento e l’apprendimento dei temi correlati all’argomento. L’unità è arricchita da molte attività basate sulle Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (ICT) in cui si utilizzano un sensore di voltaggio, un sensore di corrente e un sensore di temperatura con un’interfaccia e un software per misurare le quantità fisiche e analizzare i risultati. Livello dello studente: ragazzi fra i 12 e i 19 anni Disciplina/e coinvolta/e: fisica Durata presunta: circa 13 lezioni (da 45 minuti ciascuna) II. Carattere IBSE Le attività progettate nell’unità sono state selezionate tenendo particolarmente conto dell’approccio IBSE (Inquiry Based Science Education, Istruzione Scientifica Basata sull’Indagine Scientifica). Esse mirano all’apprendimento delle basi dei circuiti elettrici semplici e delle loro proprietà e sono pensate per studenti della scuola media superiore (15-19 anni), anche se molte di loro possono essere realizzate anche nella scuola media inferiore (12-15 anni). Nella tabella sotto vengono presentati i tipi di abilità IBSE che si sviluppano con le varie attività. Pagina 3 di 39 ESTABLISH Attività Tipo di Indagine Abilità IBSE 1. Corrente elettrica, batteria e lampadina 1.1. Come funziona la torcia scoperta guidata/indagine guidata 1.2. Costruire un semplice dispositivo elettrico indagine mirata Osservare, formulare domande Progettare una ricerca semplice, realizzare l’esperimento, formulare e testare ipotesi 2. Quale materiale conduce la corrente elettrica? indagine guidata Osservare, progettare una ricerca semplice, realizzare l’esperimento 3. Come sono i collegamenti all’interno della “black box”? scoperta/indagine guidata Progettare una ricerca, formulare e testare ipotesi 4. Misurare corrente e voltaggio indagine guidata Realizzare l’esperimento, raccogliere dati con strumenti ICT (o dispositivi di misurazione standard), misurare utilizzando unità di misura standardizzate 5. Elementi elettrici del circuito cc 5.1. Resistore 5.2. Lampadina 5.3. Altri elementi del circuito cc (diodo) 5.4. Quale elemento si nasconde nella black box? scoperta guidata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, comunicare i risultati tramite diagrammi indagine mirata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, addurre prove per trarre conclusioni, comunicare i risultati tramite diagrammi 6. Resistenza e temperatura (costruire un termometro) 6.1. Conduttore metallico indagine guidata 6.2. Termistore indagine guidata dimostrazione/ 7. Modello di conduttività elettrica (perché è più o meno discussione interattiva Pagina 4 di 39 ESTABLISH Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, comunicare i risultati tramite diagrammi Identificare le domande, costruire un modello resistente) 8. Il corpo umano obbedisce alla indagine mirata legge di Ohm? Applicare il sapere scientifico a una nuova situazione, ricercare informazioni 9. Lo strano comportamento delle lampadine 9.1. Due lampadine identiche in serie 9.2. Due lampadine diverse in serie indagine guidata indagine guidata/ mirata 9.3. Accendere un circuito indagine mirata 9.4. Due lampadine della stessa categoria indagine mirata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, addurre prove per trarre conclusioni, comunicare i risultati tramite diagrammi 10. Costruire una batteria 10.1. Monete in soluzione indagine guidata 10.2. Pila alla frutta indagine guidata 10.3. Batteria di accumulatori al piombo dimostrazione interattiva Osservare, progettare una ricerca semplice, realizzare l’esperimento 11. La batteria e i suoi parametri base 11.1. Voltaggio ai terminali scoperta guidata 11.2. Trasferimento di potenza al carico indagine guidata 11.3. Efficienza del trasferimento di potenza 11.4. Costruire un modello di comportamento della batteria indagine guidata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, comunicare i risultati tramite diagrammi indagine mirata Costruire un modello 12. Batterie in serie e in parallelo indagine mirata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, comunicare i risultati tramite diagrammi 13. Come uccide la preda l’anguilla elettrica indagine mirata Applicare il sapere scientifico a una nuova situazione, ricercare informazioni 14. Quanta energia è contenuta indagine guidata Progettare una ricerca semplice, formulare e testare ipotesi, Pagina 5 di 39 ESTABLISH realizzare l’esperimento, raccogliere, analizzare e descrivere i dati con strumenti ICT, comunicare i risultati tramite diagrammi in una batteria? 15. Le batterie e il loro uso razionale indagine aperta Ricercare informazioni, comunicare le scoperte ottenute dalla ricerca indagine mirata Ricercare informazioni, comunicare le scoperte ottenute dalla ricerca 16. Fonti alternative di elettricità 16.1. Cella combustibile 16.2. Cella fotovoltaica III. indagine mirata Conoscenza del Contenuto Scientifico Prima di intraprendere le attività dell’unità sull’Elettricità a corrente continua, gli studenti dovrebbero avere precedenti conoscenze dei seguenti elementi: Basi di elettrostatica: la materia è caratterizzata da due tipi di carica elettrica e una parte di carica negativa può essere spostata da un oggetto all’altro lasciando caricati il primo positivamente e il secondo negativamente. Quando le cariche smettono di muoversi, intervengono le forze elettrostatiche (legge di Coulomb) e il concetto di differenza di potenziale (voltaggio). Il fenomeno della corrente elettrica, la quantità fisica di corrente elettrica. I simboli grafici degli elementi di un circuito base. Lo schizzo di un circuito. L’insieme delle attività progettate non copre tutti gli argomenti relativi alla corrente elettrica continua e al circuito elettrico a corrente continua. Esse sono state selezionate e studiate in base al loro potenziale IBSE. Tuttavia ci sono dei concetti ritenuti necessari per le attività (quali potenza, energia erogata al circuito, forza elettromotrice) che andrebbero introdotti prima dell’inizio delle stesse con una lezione teorica. Nell’unità agli studenti vengono presentati i seguenti concetti e modelli scientifici: Per avere corrente elettrica stabile è necessario un circuito elettrico chiuso con determinati elementi. Esistono materiali che conducono la corrente elettrica e si differenziano a seconda della loro capacità di conduzione. La quantità di corrente elettrica si misura con l’amperometro, il voltaggio con il voltometro, come collegare amperometro e voltometro nel circuito. Per la misurazione (di corrente e voltaggio) si possono utilizzare strumenti ICT, quali i sensori. La corrente elettrica è la stessa in qualsiasi punto di un circuito semplice. Il concetto di resistenza e la legge di Ohm. Per costruire un circuito si possono utilizzare molti elementi, che possono comportarsi in maniera diversa quando vengono collegati a un circuito elettrico a corrente continua. La resistenza dipende dalla temperatura. Tale rapporto può essere crescente (metalli conduttori) o decrescente (semiconduttori) e può essere utilizzato per progettare un termometro. Pagina 6 di 39 ESTABLISH Il modello teorico di circuito elettrico basato sul concetto di cariche di superficie. Resistori in serie e in parallelo. L’elettricità e il corpo umano. La legge di Ohm per il corpo umano. Il concetto di potenza ed energia erogate al circuito. L’introduzione di questi elementi di base non fa parte delle attività, ma deve essere realizzata con una lezione che precede l’attività 9 (Lo strano comportamento delle lampadine). La corrente elettrica eroga energia (potenza) al circuito (per esempio alla lampadina). L’energia erogata determina la luminosità della lampadina. Il concetto di cella elettrochimica (primaria e secondaria) e una batteria creata dal collegamento di più celle. Il concetto di voltaggio ai terminali (confrontato con la forza elettromotrice) e la sua dipendenza dalla corrente che passa nel circuito. Il concetto di resistenza interna. La potenza trasferita dalla batteria al carico. L’efficienza del trasferimento di potenza. Il modello teorico del comportamento della batteria. Batterie connesse in serie e in parallelo. Forza elettromotrice e resistenza interna delle batterie. Le proprietà della batteria. La capacità della batteria. Energia fornita dalla batteria. Altri importanti parametri. Uso quotidiano delle batterie. Aspetti ambientali dello smaltimento delle batterie. Fonti di elettricità alternative (cella combustibile, cella fotovoltaica). La spiegazione dettagliata del modello di circuito elettrico è disponibile negli articoli: Haertl, H.: The electric circuit as a system: A new approach, Eur.J.Sci.Educ., 1982, vol.4, N.1, 45-55 Sherwood B. A., Chabay R. W., A unified treatment of electrostatics and circuits, consultabile su <http://matterandinteractions.org/Content/Articles/circuito.pdf> IV. Conoscenza del Contenuto Pedagogico (Pedagogical Content Knowledge) L’unità contiene attività principalmente mirate a sviluppare la capacità degli studenti di fare ricerca in maniera indipendente. Esse sono state selezionate e studiate in base al loro potenziale IBSE, riservando particolare attenzione all’indagine effettuata dagli studenti. Di conseguenza non coprono l’intera gamma di argomenti relativi al circuito elettrico a corrente continua. Scopo della presente unità non è, infatti, trattare tutta la materia ma proporre attività basate sull’indagine per sostenere l’insegnamento e l’apprendimento del circuito elettrico a corrente continua con un metodo di ricerca. Per questo ci sono dei concetti che, pur non costituendo parte centrale delle varie attività, vengono comunque utilizzati nelle stesse (quali potenza, energia erogata al circuito, forza elettromotrice) e andrebbero introdotti con una lezione teorica che le preceda. L’elettricità è una delle aree di base della fisica molto importante a tutti i livelli di insegnamento. Al livello primario i ragazzi più piccoli acquisiscono esperienza con i circuiti elettrici semplici. A quello secondario l’elettricità viene insegnata in maniera più sistematica. In tal senso ci si può servire delle attività a diversi livelli. Per gli studenti della Pagina 7 di 39 ESTABLISH scuola media inferiore (12-15 anni), a seconda del programma, si raccomanda di svolgere le attività 1, 2, 3, 4, 5.1, 5.2, 8 e 10. L’elettricità è uno dei concetti più difficili da afferrare per gli studenti, perché è intorno a noi eppure è invisibile. Corrente e voltaggio sono difficili da comprendere, poiché non possono essere osservati direttamente. Di conseguenza ci sono molti luoghi comuni sull’elettricità identificati dalle ricerche sull’insegnamento della fisica1. I più comuni, relativi ai circuiti elettrici, sono i seguenti: La corrente si esaurisce in una lampadina. Si consuma scorrendo nel resistore e ne ritorna alla batteria una quantità inferiore. Non c’è differenza di potenziale all’interno di un interruttore aperto, poiché V=IR e non c’è alcuna I (corrente). La legge di Ohm si applica a tutti gli elementi del circuito (non solo ai resistori). Gli elettroni si muovono velocemente (con una velocità simile a quella della luce) all’interno del circuito. Per questo, quando colleghiamo la batteria alla lampadina, quest’ultima si accende immediatamente. Le cariche rallentano attraversando il resistore. I conduttori non hanno resistenza. La resistenza di una combinazione in parallelo è più grande della resistenza maggiore. La batteria è una fonte di corrente elettrica. Essa produce zero corrente (se non è collegata a niente) o una quantità di corrente standard, indipendentemente da ciò che vi è attaccato. Forza elettromotrice e differenza di potenziale sono sinonimi. Tra i terminali di una batteria non c’è corrente. Le cariche che scorrono nel circuito provengono dalla batteria. Corrente e voltaggio sono la stessa cosa. Le attività vengono progettate per affrontare i luoghi comuni degli studenti, partendo dai risultati delle ricerche sull’insegnamento della fisica relative ai pregiudizi stessi. Per portare questi ultimi alla luce l’insegnante dovrebbe porre domande in modo che l’alunno possa confrontare la propria preconoscenza con i risultati ottenuti nell’esperimento. L’attività sul Modello del circuito elettrico (perché è più o meno resistente) presenta l’approccio all’insegnamento dei concetti del circuito elettrico descritto da Herman Haertl2, che affronta con successo alcuni pregiudizi tipici degli studenti. Le attività sono progettate per determinati livelli di indagine, ma è a discrezione dell’insegnante, anche in base al livello dei suoi alunni, decidere di cambiare attività scegliendo una ricerca più o meno aperta viceversa. V. Conoscenza del Contenuto Industriale L’argomento trattato è di applicazione in ambito industriale e nella vita quotidiana, ogni giorno infatti usiamo dispositivi elettrici. 1 Sherwood B. A., Chabay R. W., A unified treatment of electrostatics and circuits, consultabile su <http://matterandinteractions.org/Content/Articles/circuito.pdf> Helping Students Learn Physics Better, Preconceptions and Misconceptions, consultabile su http://phys.udallas.edu/C3P/Preconceptions.pdf Haertl H., The electric Circuit as a System: A New Approach, Eur.J.Sci.Educ., 1982, vol.4, N.1, 45-55 2 Haertl H., The electric Circuit as a System: A New Approach, Eur.J.Sci.Educ., 1982, vol.4, N.1, 45-55 Pagina 8 di 39 ESTABLISH Va sottolineato che per far funzionare i dispositivi elettrici è necessario un circuito elettrico chiuso. Gli elementi del circuito elettrico sono parti di dispositivi elettrici. Cambiando la resistenza elettrica dei resistori si può cambiare la corrente all’interno del circuito e quindi la luminosità di una lampadina, la velocità di un'auto da corsa, ecc. La resistenza elettrica è impiegata in archeologia per la misurazione della resistenza elettrica dei potenziali siti di scavo. I fotoresistori si usano per accendere la luce di notte. I diodi stanno alla base del grande sviluppo dell’elettronica. I diodi che emettono luce (led) sono ampiamente utilizzati al posto delle lampadine. Insegnare i diversi elementi del circuito elettrico dà l’opportunità di analizzare i dispositivi elettronici scomponendoli nei singoli componenti. L’analisi può portare a una discussione sui possibili problemi ambientali legati ai rifiuti elettronici. La dipendenza dalla temperatura della resistenza di metalli e semiconduttori (termistori) trova applicazione nella progettazione dei termometri. Per coinvolgere gli studenti nella progettazione tecnologica si può far loro progettare e costruire un termometro. Le applicazioni della legge di Ohm possono tirare in ballo l’effetto della corrente elettrica sul corpo umano e sul modo di aumentare la sicurezza per evitare di prendere la scossa. Il concetto di potenza ed energia erogate al carico può essere illustrato attraverso esempi di dispositivi elettrici e della loro rispettiva potenza assorbita e confrontando diversi dispositivi elettrici in base al loro consumo di energia. Il confronto fra lampadine a incandescenza e altri tipi di luci elettriche è un buon esempio di diversa potenza assorbita e di come si può passare a un modo di illuminare più efficiente. L’ampia applicazione industriale è legata al concetto di batteria. Gli studenti possono costruire una batteria semplice. L’analisi di diverse batterie dal punto di vista della forza elettromotrice, della resistenza interna, dell’energia fornita al circuito e di altre importanti proprietà può dare agli studenti un’idea delle proprietà della batteria e di un suo uso razionale nella vita quotidiana. L’applicazione nel mondo animale (anguilla elettrica) è un buon esempio per illustrare lo scopo delle batterie in parallelo e in serie. Si può discutere degli aspetti ambientali dello smaltimento delle batterie e gli studenti possono cercare il centro di riciclaggio di batterie più vicino e scoprire come e dove si possono buttare le batterie usate. Si tratta anche di una buona opportunità per trovare informazioni sulle automobili elettriche a batteria. Sempre in riferimento alle batterie come fonte di energia, gli studenti possono cercare altre fonti elettrochimiche, quali celle combustibili e celle fotovoltaiche (utilizzate nei pannelli solari). VI. Percorso/i di Apprendimento L’unità sull’Elettricità a corrente continua è costituita da 16 attività in tutto, alcune delle quali suddivise in più parti. Esse offrono un ampio spettro di attività IBSE a diversi livelli di indagine, fra le quali l’insegnante può scegliere quelle più adeguate al proprio programma. Ecco una possibile configurazione delle attività con riferimento al ciclo di e-learning. Attività Tipo di Indagine Pagina 9 di 39 ESTABLISH e-evidenza 1. Corrente elettrica, batteria e lampadina 1.1. Come funziona la torcia scoperta guidata/indagine guidata Iniziare/esplorare 1.2. Costruire un semplice dispositivo elettrico indagine mirata Iniziare/esplorare 2. Quale materiale conduce la corrente elettrica? indagine guidata Esplorare/spiegare 3. Come sono i collegamenti all’interno della black box? scoperta/indagine guidata Esplorare/spiegare 4. Misurare corrente e voltaggio indagine guidata Esplorazione scoperta guidata Esplorare/spiegare 5. Elementi elettrici del circuito cc 5.1. Resistore 5.2. Lampadina 5.3. Altri elementi del circuito cc (diodo) 5.4. Quale elemento si nasconde nella black box? indagine mirata Estendere/elaborare 6. Resistenza e temperatura (costruire un termometro) 6.1. Conduttore metallico indagine guidata Esplorare/spiegare 6.2. Termistore indagine guidata Esplorare/spiegare dimostrazione/ discussione interattiva Spiegare 7. Modello del circuito elettrico (perché è più o meno resistente) 8. Il corpo umano obbedisce alla indagine mirata legge di Ohm? Estendere (elaborare) 9. Lo strano comportamento delle lampadine 9.1. Due lampadine identiche in serie 9.2. Due lampadine diverse in serie indagine guidata Estendere (elaborare) indagine guidata/ mirata Estendere (elaborare) 9.3. Accendere un circuito indagine mirata Estendere (elaborare) 9.4. Due lampadine della stessa categoria indagine mirata Estendere (elaborare) Pagina 10 di 39 ESTABLISH 10. Costruire una batteria 10.1. Monete in soluzione indagine guidata Iniziare/esplorare 10.2. Pila alla frutta indagine guidata Iniziare/esplorare 10.3. Batteria di accumulatori al piombo dimostrazione interattiva Iniziare/esplorare scoperta guidata Esplorare/spiegare indagine guidata Esplorare/spiegare indagine guidata Esplorare/spiegare indagine mirata Estendere (elaborare) 12. Batterie in serie e in parallelo indagine mirata Estendere (elaborare) 13. Come uccide la preda l’anguilla elettrica indagine mirata Estendere (elaborare) 14. Quanta energia è contenuta in una batteria? indagine guidata Esplorare/spiegare 15. Le batterie e il loro uso razionale indagine aperta Elaborare/valutare 16.1. Cella combustibile indagine mirata Estendere (elaborare) 16.2. Cella fotovoltaica indagine mirata Estendere (elaborare) 11. La batteria e i suoi parametri base 11.1. Voltaggio ai terminali 11.2. Trasferimento di potenza al carico 11.3. Efficienza del trasferimento di potenza 11.4. Costruire un modello di comportamento della batteria 16. Fonti alternative di elettricità VII. Valutazione Le attività 1, 2,3,4,5 mirano a creare una conoscenza di base del circuito elettrico semplice. La valutazione può avvenire attraverso prove pratiche di costruzione di un circuito semplice o di misurazione di voltaggio e corrente. Le attività 5,6,7,8 riguardano le caratteristiche V-A (voltaggio-corrente, legge di Ohm), la dipendenza dalla temperatura della resistenza e i resistori in serie e in parallelo. La valutazione della comprensione concettuale di tali argomenti può avvenire attraverso prove teoriche e presentazioni incentrate sulla ricerca di informazioni sull’effetto dell’elettricità sul corpo umano. Pagina 11 di 39 ESTABLISH L’attività 9 mira alla comprensione del concetto di potenza erogata al circuito. Per verificarla sarebbe adeguata una prova teorica. Le attività 10-16 mirano all’apprendimento del concetto di batteria e dei suoi parametri, che può essere valutato con una prova teorica. Nella presentazione dei risultati alla classe, si può valutare una relazione scritta o orale sui risultati di un’indagine aperta basata sulla ricerca di informazioni relative alle batterie (attività 15). In tutte le attività in cui gli studenti realizzano un’indagine guidata/limitata per portare a termine la ricerca su uno specifico argomento e ottengono e analizzano dati per poi trarre conclusioni, la valutazione può anche avvenire in parte attraverso una relazione scritta sulle ricerche di laboratorio. Pagina 12 di 39 ESTABLISH VIII. Attività di Apprendimento per gli Studenti 1. Attività: Corrente elettrica, batteria e lampadina Obiettivi di apprendimento: Capire come la differenza di potenziale causa corrente elettrica all’interno di un conduttore Imparare a progettare e a costruire circuiti elettrici semplici usando batterie, lampadine, cavi e interruttori Imparare a disegnare lo schema di un circuito utilizzando i simboli Materiali: Qualche torcia economica da smontare, Tre lampadine (per esempio da 4,5V/0,3A), una batteria zinco carbone (da 4,5V), fili elettrici, un interruttore unipolare e uno bipolare Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-4 studenti e distribuire i fogli di lavoro relativi all’attività “Corrente elettrica, batteria e lampadina”. I ragazzi, lavorando in gruppo, passano gradualmente dalla semplice osservazione alla scoperta guidata fino all’indagine mirata. Gli studenti giocano in gruppo con la torcia, la smontano e ne esaminano i componenti. Dovrebbero identificare tre componenti di base: interruttore, lampadina e batteria, che sono collegati in serie. Imparano che c’è bisogno di un circuito chiuso perché la corrente possa scorrere. L’involucro della torcia può costituire parte del circuito. Dopo questa prima ricerca, imparano a costruire un circuito elettrico semplice a partire da una batteria, una lampadina, dei fili elettrici e un interruttore. Una volta che riescono ad accendere una sola lampadina, sono in grado di progettare e creare semplici dispositivi elettrici utilizzando ulteriori interruttori, cavi e lampadine. Si chiede loro di inventare e costruire circuiti più complessi con collegamenti di lampadine in serie o in parallelo utilizzando gli interruttori. Anche se non sanno esattamente cosa succede all’interno del circuito elettrico, il compito li motiva a pensare e indagare per trovare la soluzione adeguata. Gli studenti vengono coinvolti nel progettare modelli di dispositivi elettrici comunemente usati nella vita reale. I ragazzi dovrebbero lavorare per proprio conto, realizzando un’indagine mirata. Completata la ricerca, riassumeranno i risultati e li presenteranno agli altri gruppi. Nel caso non si abbia sufficiente materiale per tutti o non ci sia abbastanza tempo, ogni gruppo può costruire uno dei circuiti elettrici proposti. Domande possibili: Quali sono i componenti base di una torcia? Cosa fa accendere la lampadina? Di quali componenti può essere fatto un circuito elettrico semplice? Che cosa influenza la luminosità della lampadina? Come si stabilisce la direzione della corrente? Come funzionano interruttori diversi? 2. Attività: Quale materiale conduce la corrente elettrica? Obiettivi di apprendimento: Imparare a progettare e a costruire circuiti elettrici semplici utilizzando batterie, lampadine, cavi e interruttori Capire che esistono diversi tipi di materiali che conducono o non conducono la corrente elettrica Materiali: Una batteria zinco carbone (da 4,5V), fili elettrici, cavi di simili dimensioni e diverso materiale, una mina di matita, un fiammifero, un pezzo di plastica, acqua distillata, acqua di rubinetto (salata e dolce), un bicchiere, porcellana, un piatto di porcellana con striscia metallica, ecc. Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Quale materiale conduce la corrente elettrica”. Una volta che gli studenti sono capaci di costruire circuiti elettrici semplici, possono provare a schematizzare e progettare un esperimento per esaminare i diversi materiali e la loro rispettiva conduttività. Dovrebbero utilizzare una lampadina come indicatore di corrente. Lavoreranno in gruppo, per conto proprio, realizzando un’indagine guidata. Completata la ricerca, riassumeranno i risultati e li presenteranno agli altri. Nel caso non ci siano tutti i materiali per ciascun gruppo o non si abbia abbastanza tempo, ogni gruppo può studiarne diversi. Alla fine si può fare una gara sul circuito elettrico più lungo che fa accendere la lampadina. Domande possibili: Quale quantità fisica indica la luminosità della lampadina? Come influenzano la luminosità della lampadina i diversi materiali collegati nel circuito? Confrontare la corrente che scorre nel circuito nei diversi casi. Quali materiali sono buoni conduttori e quali no? Perché è importante sapere se un materiale conduce l’elettricità? 3. Attività: Come sono i collegamenti all’interno della “black box”? Obiettivi di apprendimento: Approfondire e ampliare la conoscenza degli studenti relativa al circuito elettrico semplice Materiali: Una scatola chiusa (black box) con quattro connettori (reciprocamente interconnessi in Pagina 14 di 39 ESTABLISH diversi modi dentro a ogni box attraverso cavi o resistori), lampadine, batterie (o altra apposita fonte di voltaggio cc), fili elettrici Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in gruppi di 3. Ciascun gruppo ha tutti gli strumenti necessari sul tavolo. Distribuire i fogli di lavoro sulla black box e lasciare che gli studenti realizzino gli esperimenti secondo il metodo della scoperta/indagine guidata. All’inizio dovrebbero rispondere ad alcune domande introduttive per richiamare alla mente le conoscenze necessarie a una ricerca indipendente. Secondo i principi dell’apprendimento basato sull’indagine, prima gli studenti schematizzano possibili metodi di interconnessione, poi propongono una procedura di ricerca e infine realizzano un esperimento per svelare la struttura interna delle box. Utilizzano una fonte di potenza, dei cavi e una lampadina per indicare la corrente (sì o no, forte o meno forte) attraverso un percorso selezionato. Durante la ricerca indipendente, l’insegnante osserva e modera il lavoro individuale degli studenti ponendo domande (nel caso di classi meno avanzate, si risponde alle domande uno alla volta e si verifica la correttezza delle risposte dei diversi gruppi all’interno di una discussione di classe). Conclusi gli esperimenti, viene mostrato il contenuto delle black box, gli studenti verificano la correttezza delle proprie ricerche e, in caso di errore, ne analizzano la causa. Domande possibili: Quale collegamento interno corrisponde alla situazione in cui la lampadina si accende? Quale collegamento interno corrisponde alla situazione in cui la lampadina si accende ma è più fioca rispetto al caso precedente? Quando la luminosità di una lampadina collegata a un circuito elettrico è più bassa e quando più alta? Quale collegamento interno corrisponde alla situazione in cui la lampadina non si accende affatto? Che cosa si intende con il termine “black box”? Dove troviamo black box nella vita di tutti i giorni? 4. Attività: Misurare corrente e voltaggio Obiettivi di apprendimento: Imparare a misurare due quantità fisiche di base (corrente e voltaggio) per descrivere il funzionamento dei circuiti elettrici, utilizzando un sensore di corrente e voltaggio (o amperometro e voltometro) Capire che la corrente è la stessa in tutti i punti di un circuito semplice Capire come si distribuisce il voltaggio nelle diverse parti di un circuito elettrico semplice Materiali: Pagina 15 di 39 ESTABLISH Una batteria (per esempio zinco carbone o alcalina fresca, da 4,5V), due lampadine (per esempio da 4,5V/0,3A), fili elettrici, computer, interfaccia e software (per esempio COACH, VERNIER o PASCO), un sensore di corrente e un sensore di voltaggio (o amperometro e voltmetro) Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Misurare corrente e voltaggio”. Si tratta di un’attività semplice, mirata a sviluppare abilità di base relative alla misurazione della corrente e del voltaggio in un circuito elettrico semplice con l’ausilio di sensori e a comprendere il funzionamento di corrente e voltaggio nel circuito semplice. È importante lavorare in piccoli gruppi, affinché ogni studente abbia la possibilità di maneggiare i componenti del circuito. Gli studenti imparano che per misurare il voltaggio all’interno di un elemento di un circuito il sensore di voltaggio deve essere collegato in parallelo e per misurare la corrente che vi scorre dentro il sensore di corrente deve essere collegato in serie; apprendono che la corrente è la stessa nei diversi punti del circuito elettrico semplice e che non viene consumata dall’elemento del circuito, scoprono che il voltaggio è distribuito nelle diverse parti dei circuiti elettrici. I ragazzi partecipano, quindi, a un’indagine guidata rispondendo a domande e prevedendo il comportamento del circuito, seguendo passo passo le istruzioni del foglio di lavoro. Nel caso in cui non fossero disponibili i sensori, l’attività si può svolgere con l’ausilio dell’amperometro e del voltometro. Il contenuto industriale può essere evidenziato facendo riferimento al fatto che i sensori impiegati per misurare la corrente e il voltaggio oggi sono ampiamente usati. Domande possibili: La corrente è la stessa nei diversi punti del circuito elettrico semplice? Spiegare. Il voltaggio è lo stesso all’interno della batteria e della lampadina in un circuito elettrico semplice? Spiegare. Esiste un elemento del circuito con tensione nulla? Come dovrebbe essere il voltaggio ai due terminali di un cavo? Com’è influenzato il voltaggio all’interno di una batteria dal numero di lampadine collegate in serie? Com’è influenzata la corrente all’interno di un circuito dal numero di lampadine collegate in serie? La batteria è una fonte di corrente costante o di voltaggio costante? 5. Attività: Elementi elettrici del circuito cc Obiettivi di apprendimento: Capire che la differenza di potenziale nel conduttore causa corrente all’interno dello stesso Analizzare il rapporto tra la corrente che scorre in un conduttore e la differenza di potenziale all’interno dello stesso. Pagina 16 di 39 ESTABLISH Interpretare il diagramma corrente-voltaggio di un conduttore Comprendere il concetto di resistenza Indagare sul comportamento di diversi elementi elettrici in un circuito elettrico a corrente continua Interpretare il diagramma corrente-voltaggio di diversi elementi elettrici Materiali: Una fonte di potenza variabile (fino a 10V), fili elettrici, resistori di diverso valore di resistenza (20o maggiore), una lampadina (per esempio da 6V/0,05A), altri elementi elettrici (per esempio un diodo semiconduttore), una resistenza limitatrice di corrente da usare in un circuito con diodo, computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6 o Vernier Logger Pro o Pasco DataMate), un sensore di corrente e un sensore di voltaggio (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si possono utilizzare amperometro e voltmetro) Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Elementi elettrici del circuito cc”. In questa attività gli studenti realizzano un esperimento per analizzare il rapporto tra la corrente che scorre in un resistore e il voltaggio all’interno dello stesso e comprendere il concetto di resistenza. Ci si aspetta che siano abbastanza sicuri di sé nella misurazione della corrente e del voltaggio con i sensori. Innanzitutto si introducono i concetti di resistore e resistenza, quale quantità fisica definita U come R . Durante la ricerca gli studenti scoprono che tale rapporto è lineare e I imparano a capire il diagramma corrente-voltaggio e il concetto di resistenza. Il punto cruciale della ricerca è collegare l’esperimento reale con la sua rappresentazione grafica e sviluppare la capacità di leggere nel grafico l’informazione richiesta. Gli studenti imparano a capire il significato fisico delle caratteristiche del diagramma (lineare, non lineare, pendenza della linea) e quindi a interpretarlo correttamente. Nella fase successiva analizzano il comportamento di altri componenti elettrici del circuito a corrente continua, quali lampadine e diodi, e lo confrontano con il comportamento di un resistore. Nello svolgimento dell’attività i ragazzi seguono le istruzioni del foglio di lavoro secondo il metodo della scoperta guidata. Per migliorare la comprensione concettuale della legge di Ohm, si può continuare con un’ulteriore attività realizzata nell’ordine inverso. I componenti sono nascosti in una “black box” di cui, in base alla misurazione del rapporto corrente-voltaggio, gli studenti riveleranno il contenuto. L’attività si svolge con il metodo dell’indagine limitata, in cui si ha un problema da risolvere e il materiale disponibile e bisogna progettare l’esperimento per trovare la soluzione. Le black box possono contenere un resistore, una lampadina, un diodo e un termistore, in modo che i ragazzi decidano quale componente si comporta in maniera diversa rispetto Pagina 17 di 39 ESTABLISH agli altri. Bisogna lasciare che schematizzino la procedura di misurazione senza grossi aiuti. L’attività offre ampie opportunità di collegamento della conoscenza con l’industria. Ciò può implicare l’applicazione di resistori e altri elementi elettrici e componenti elettronici, ecco alcuni esempi: Applicazioni standard dei resistori nei circuiti elettrici di vari dispositivi. Usando un resistore variabile, cambiando la corrente, cambia la luminosità della lampadina. In alcuni modelli elettrici di auto da corsa, premendo una sorta di grilletto, il resistore variabile cambia valore e quindi la corrente nel motore dell’auto può aumentare facendo accelerare la macchina. L’impiego della resistenza elettrica in un contesto più ampio, ad esempio in archeologia per il sondaggio della resistenza elettrica, in cui vengono inserite nel terreno sonde di metallo per rilevare la resistenza elettrica locale. La misurazione della resistività del suolo serve a trovare potenziali siti di scavo. Gli scienziati usano dei metri per trovare e tracciare aree artificiali sotto la superficie: le fondazioni di strade e costruzioni tendono a essere secche e compatte, determinando un’alta resistività del suolo; fosse e canali coperti hanno un contenuto carico di umidità e conducono l’elettricità facilmente. La resistenza dei fotoresistori diminuisce quando aumenta la luce. Essi sono largamente impiegati per l’illuminazione notturna, perché si accendono quando fa buio. La resistenza dei termistori diminuisce quando aumenta la temperatura. I diodi sono alla base dell’ampio sviluppo dell’elettronica. I led emettono luce quando vi passa la corrente, raramente si rompono e vengono usati al posto delle lampadine. Insegnare tale argomento dà la possibilità di andare a visitare un luogo in cui si smantellano dispositivi elettronici (quali televisori, radio, computer, telefonini, ecc.) nei loro componenti che vengono separati a seconda del possibile riutilizzo che se ne può fare. Occupandosi di rifiuti elettronici, bisognerebbe porsi il problema della loro influenza sull’ambiente e discuterne. Domande possibili: Cosa può determinare il voltaggio applicato all’elemento di un circuito? In un circuito cc elementi diversi (resistore, lampadina, diodo) si comportano allo stesso modo? Come viene influenzata la corrente che scorre in un elemento dal voltaggio applicato allo stesso? La corrente aumenta, diminuisce o rimane costante quando aumenta il voltaggio? Qual è la relazione matematica tra corrente e voltaggio (relazione I-U) nell’elemento di un circuito? Come si distinguono diversi elementi conoscendo il loro diagramma I-U? Pagina 18 di 39 ESTABLISH 6. Attività: Resistenza e temperatura (costruire un termometro) Obiettivi di apprendimento: Capire che la resistenza dell’elemento elettrico può dipendere dalla sua temperatura Capire che elementi diversi reagiscono in modo diverso all’aumento della temperatura Analizzare la relazione tra la resistenza e la temperatura di un metallo conduttore Analizzare la relazione tra la resistenza e la temperatura di altri elementi quali il termistore Interpretare il diagramma resistenza-temperatura di un metallo conduttore e di un termistore Comprendere l’uso del termometro di resistenza per misurare la temperatura Materiali: Una fonte di potenza variabile (fino a 10V), fili elettrici, computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6 o Vernier Logger Pro o Pasco DataMate), un sensore di corrente, un sensore di voltaggio, un sensore di temperatura (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si possono utilizzare amperometro e voltmetro), un metallo conduttore (per esempio un filo di rame lungo e sottile), un termistore Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Resistenza e temperatura”. In questa attività gli studenti realizzano un esperimento allo scopo di indagare sulla relazione tra la resistenza e la temperatura di un resistore (termistore). La resistenza si ricava misurando la corrente che scorre all’interno dell’elemento e il voltaggio. In questa fase gli studenti dovrebbero essere abbastanza sicuri di sé nella misurazione della corrente e del voltaggio, nonché della temperatura, con l’aiuto dei sensori. L’idea principale è quella di trovare la differenza fondamentale tra metalli e semiconduttori in termini di dipendenza dalla temperatura della loro resistenza e comprendere che, in base a tale rapporto di dipendenza, l’elemento si può utilizzare come strumento per misurare la temperatura. Poiché il coefficiente di temperatura della resistenza dei metalli è piuttosto basso ( va in genere da 3,10-3K-1 a 6,10-3K-1), è necessario un filo di rame lungo e sottile per avere una resistenza iniziale sufficientemente alta da vedere la differenza quando è riscaldato. Nel caso non si avesse a disposizione un filo adeguato, gli studenti possono utilizzare i risultati già rilevati con COACH 6 (che si trovano nel file Resistance and temperature_metal.cmr.) Fig. Risultati sperimentali per il metallo La dipendenza dalla temperatura della resistenza del termistore è molto più significativa con un coefficiente di temperatura negativo della resistenza. Il risultato si trova nel file temperature_metal.cmr. Pagina 19 di 39 ESTABLISH In entrambi i casi gli studenti realizzano la misurazione e la successiva analisi secondo il metodo dell’indagine guidata. Il risultato già disponibile può essere usato nel caso non ci sia abbastanza tempo a disposizione ma è preferibile la misurazione reale. Nei due casi l’analisi dovrebbe portare a un’approssimazione dei dati lineare per il metallo ma molto più complessa per il termistore. Si presenta il concetto di calibrazione della temperatura. Per gli studenti che già conoscono la funzione esponenziale, si può fare la calibrazione del termistore. Quindi, alla fine, gli studenti avranno il termistore calibrato per la misurazione della temperatura e potranno confrontare il proprio termometro con i dati del sensore della temperatura. Fig. Esempio di risultato della calibrazione del termistore Il punto cruciale è afferrare i principi di termometro di resistenza e della sua calibrazione. Il collegamento con l’industria può riguardare le informazioni sui termometri di resistenza, i termistori e la loro applicazione (i termistori nell’industria automobilistica per il monitoraggio del refrigerante e della temperatura dell’olio nel motore, della temperatura dell’incubatrice, ecc.). Domande possibili: Come cambia la resistenza di un conduttore metallico con la temperatura? Come cambia la resistenza di un termistore con la temperatura? Come si può sfruttare il rapporto tra resistenza e temperatura per misurare la temperatura? Come si fa a calibrare un metallo o un termistore per misurare la temperatura? 7. Attività: Modello del circuito elettrico (perché è più o meno resistente) Obiettivi di apprendimento: Comprendere il meccanismo di conduzione nei metalli in termini di moto degli elettroni Comprendere il concetto di cariche di superficie sui conduttori Comprendere il ruolo del resistore in un circuito di corrente Capire che la corrente si divide in un nodo Pagina 20 di 39 ESTABLISH Capire che cos’è la resistenza equivalente di due resistori collegati in serie (parallelo) Materiali: Animazioni disponibili su http://www.astrophysik.uni-kiel.de/~hhaertel/CLOC_doc/CLOC_doc_uk/index.htm Suggerimenti d’impiego: L’attività è volta alla comprensione concettuale del circuito elettrico attraverso il concetto di cariche di superficie. La spiegazione è disponibile in Haertl H., The electric circuit as a system: A new approach, Eur.J.Sci.Educ., 1982, vol.4, N.1, 45-55 Haertl H., Conceptual learning of circuit, consultabile su http://www.astrophysik.uni-kiel.de/~hhaertel/CLOC_doc/CLOC_doc_uk/index.htm Sherwood B. A., Chabay R. W., A unified treatment of electrostatics and circuits, consultabile su <http://matterandinteractions.org/Content/Articles/circuito.pdf> L’attività dovrebbe essere guidata dall’insegnante che gestisce una discussione interattiva al fine di spiegare il meccanismo di base della corrente elettrica in un circuito e dei concetti correlati. Durante la discussione interattiva l’insegnante fa delle domande e gli studenti cercano di formulare delle risposte. È fondamentale non dar loro la risposta ma far sì che riflettano per giungervi da soli. Per questo le domande vengono poste in modo da permettere di rivedere i fatti già noti applicandoli a nuove situazioni con coerenza. Ecco un possibile quadro di come realizzare l’attività con le domande e le rispettive risposte. Il primo gruppo di domande mira a rivedere i fatti già noti. 1. Quando un oggetto è elettrico? Esponi la tua idea sulla struttura interna della materia. Ogni oggetto materiale mostra una struttura granulare, i cui elementi base – atomi e molecole – sono portatori di carica di polarità opposta, i protoni dentro il nucleo e gli elettroni all’esterno. Per quale motivo elettroni e protoni interagiscono? L’esistenza di cariche con polarità opposta va accettata come dato di natura. Lo stesso dicasi per il fatto che cariche di uguale polarità si respingono e cariche di polarità opposta si attraggono. Protoni ed elettroni contengono la stessa carica elementare con polarità opposta. Per ragioni storiche la carica degli elettroni si chiama negativa e quella dei protoni positiva. Come si comporta un gruppo di cariche composto da cariche positive e negative in egual numero? Ogni quantità macroscopica di carica è un numero intero multiplo della carica elementare. Si stabilisce (sempre per ragioni storiche) che l’unità di carica è costituita da 6,2·1018 cariche elementari. L’unità è chiamata 1 Coulomb, in onore del fisico francese Charles Augustin de Coulomb (1736-1806). Una uguale quantità di protoni ed elettroni vista da fuori è neutra. Che cosa succede aggiungendo un elettrone (o un protone) al gruppo di cariche in equilibrio? La carica non si può creare né distruggere. All’interno di un dispositivo elettrico gli elettroni si possono soltanto spostare. Se gli elettroni si accumulano in un posto, è certo che i portatori di carica positiva si accumuleranno in un altro posto che prima era neutro. Fra i portatori di carica con la stessa polarità si attiveranno forze di repulsione e fra i portatori di carica con polarità opposta si attiveranno forze di attrazione, le cosiddette forze di Coulomb, che contrastano la separazione originale ed evitano ulteriori spostamenti di elettroni. L’area con carica negativa (positiva) in più si indica come elettricamente negativa (positiva). 2. Che cos’è un alimentatore elettrico? Come descriveresti il funzionamento di un alimentatore elettrico? Un alimentatore elettrico consiste in linea di principio in un dispositivo conduttore collegato con l’esterno attraverso due contatti metallici. Una alimentatore può applicare una forza agli elettroni interni per spostarli da un contatto esterno all’altro. Il tipo di forza varia a seconda del tipo di alimentatore. All’interno di una batteria sono attive forze chimiche, all’interno di un generatore si possono applicare forze elettromagnetiche. Pagina 21 di 39 ESTABLISH L’azione di tali forze è sempre la stessa: a uno dei due contatti esterni ci sarà un eccesso di elettroni, che mancheranno all’altro contatto, dove invece apparirà una carica positiva (Fig. 1). Come si distribuisce la carica in eccesso (elettroni) sull’elettrodo metallico dell’alimentatore? A questo punto entra in gioco una legge elementare: non possono esistere elettroni aggiuntivi all’interno un conduttore metallico ma solo sulla sua superficie. È sufficiente accettare come fatto provato sperimentalmente che elettroni aggiuntivi possono esistere soltanto sulla superficie di un conduttore metallico. Maggiore è la densità delle cariche negative aggiuntive sulla superficie dei contatti metallici più i portatori di carica si respingeranno reciprocamente. A seconda della specifico tipo di alimentatore, si raggiungerà un determinato limite in cui tali forze repulsive di Coulomb impediranno ulteriori accumuli di elettroni. Fig. 1. Alimentatore con cariche di superficie ai contatti metallici Si stabilirà uno stato di equilibrio tra la forza interna dell’alimentatore e le forze di Coulomb che spingono gli elettroni sulla superficie del contatto metallico. Che cosa succede agli elettroni se si attaccano dei fili elettrici agli elettrodi dell’alimentatore? I fili elettrici non sono collegati fra loro, il circuito è aperto. Collegare i contatti di un alimentatore con conduttori metallici in linea di principio non è tanto diverso dall’aumentarne la Fig. 2. Alimentatore con conduttori collegati e superficie. A causa della loro reciproca repulsione, questi cariche di superficie portatori di carica si ridistribuiranno sulla superficie ampliata, riducendo quindi la densità. Per un attimo ciò causerà uno squilibrio tra la forza interna dell’alimentatore e le forze di Coulomb. Ulteriori elettroni verranno spinti su queste superfici allargate, finché non verranno ristabiliti la densità originaria e l’equilibrio tra le forze coinvolte. 3. Come passa la corrente elettrica in un conduttore? In questo caso i fili elettrici che provengono dagli elettrodi dell’alimentatore sono collegati attraverso un pezzo di metallo. Si ha un circuito elettrico chiuso. Che cosa faranno gli elettroni in un circuito? Tutti i conduttori possiedono una certa resistività interna. Se l’alimentatore è abbastanza forte da sostituire gli elettroni che vagano nel resistore, si darà origine a una corrente circolare, di cui faranno parte tutti gli elettroni dentro i conduttori. Finché la spinta della fonte di potenza rimane costante, rimarranno le cariche sulla superficie dei conduttori, che però cominceranno a vagare insieme al volume delle Fig. 3: Circuito chiuso e cariche di superficie cariche interne. Per mantenere la corrente elettrica in tale conduttore è quindi necessaria una spinta interna per contrastare l’effetto opposto della resistività. Per il caso più semplice di un conduttore rettilineo omogeneo, che trasporta una corrente costante, si calcola che è necessario un cambiamento lineare della distribuzione delle cariche di superficie per produrre una forza interna costante orientata parallelamente al conduttore. Pagina 22 di 39 ESTABLISH All’interno di un filo di rame, gli elettroni sono sottoposti a una forza resistente molto piccola. Si può pensare a un meccanismo di conduzione in cui i singoli elettroni vengono accelerati sotto l’influenza dell’interazione con le cariche di superficie e collidono con degli atomi nel reticolo. Il numero di collisioni al secondo è alto (circa 1014/s) e il percorso libero tra due collisioni è in media 10 volte il diametro dell’atomo del rame. 4. Come passa la corrente elettrica in un resistore? densità delle cariche di superficie Fig. 4: Distribuzione della densità lineare delle cariche di superficie su un conduttore rettilineo In questo caso i fili elettrici che provengono dagli elettrodi della fonte di potenza sono collegati da un resistore. Si ha un circuito elettrico chiuso. Che cosa faranno gli elettroni in un circuito? Se un conduttore è collegato elettricamente a un resistore si forma uno strato che separa l’area con alta conduttività dalla parte resistente con bassa conduttività. A seconda del tipo di resistore gli strati hanno diverso spessore. Quelli ai capi del resistore non rimangono neutri quando vi vengono spinti dentro gli elettroni. Nello strato davanti al resistore si accumuleranno alcuni elettroni, poiché davanti a loro c’è un’area di bassa conduttività. Questo strato porterà una carica con polarità negativa. Dallo strato posteriore del resistore si allontaneranno alcuni elettroni, poiché davanti a loro c’è un’area con alta conduttività, e rimarranno alcuni ioni dell’atomo caricati con polarità positiva. Questo strato porterà una carica con polarità positiva. Le cariche distribuite in maniera diversa sulla superficie e gli strati caricati ai capi del resistore produrranno forze attrattive e repulsive per guidare gli elettroni nel resistore. Se la forza della batteria aumenta, aumenteranno il gradiente della densità della carica e la carica all’interno degli strati divisori. Di conseguenza aumenterà la forza sugli elettroni mobili, il che creerà maggiore corrente, cioè un Fig. 5: Strati caricati tra conduttori e resistori numero maggiore di elettroni che attraversano una sezione trasversale in un determinato lasso di tempo. 5. Perché il voltaggio è applicato ai capi del resistore attraverso il quale passa la corrente? Collegando un voltmetro al resistore si può misurare il voltaggio. Come fa il resistore a creare un diverso valore di carica per generare una differenza di potenziale (voltaggio)? Il voltaggio, o differenza di potenziale, è presente tra due punti all’interno di un circuito elettrico quando le cariche sono separate o sotto forma di superfici con una certa densità di carica con polarità opposta o con una differenza di densità di carica di superficie. Una tale separazione di cariche dà origine alle forze di Coulomb, che cercano di ristabilire la neutralità e sono la vera causa del voltaggio o differenza di potenziale. Il lavoro è realizzato dalle forze della carica di superficie, ovvero dalla trasformazione dell’energia che deriva da una determinata corrente spinta da un determinato voltaggio. Ciò dà la possibilità di correlare il voltaggio o differenza di potenziale tra due punti A e B alla quantità di energia trasformata quando una certa quantità di carica viene spostata da A a B. Dal punto di vista numerico il voltaggio è uguale alla quantità di energia trasformata se un’unità di 1 Coulomb viene spostata da A a B. 6. Modello del circuito elettrico Per illustrare il processo interno al circuito elettrico può essere utile confrontare quest’ultimo con un anello rigido spinto da una forza motrice in un punto e bloccato nel suo moto da un freno in un altro punto. L’anello rigido è un Pagina 23 di 39 ESTABLISH congegno utilizzato per trasmettere una forza ed è costituito da due parti: la parte davanti al freno viene spinta, la parte dietro al freno tirata. La parte spinta risulterà leggermente compressa, la parte tirata leggermente allungata. La differenza di deformazione sarà mantenuta dal motore e produrrà la forza necessaria al freno per continuare a far muovere l’anello. forza motrice freno “anello rigido” per trasmettere forze che tirano e spingono Fig. 6 Il modello ad anello rigido del circuito elettrico Le somiglianze tra circuito elettrico e anello rigido con forza motrice e freno sono le seguenti: Anello rigido Circuito elettrico L’anello rigido serve a trasmettere una forza Il circuito elettrico trasmette una forza La materia si muove in cerchio Gli elettroni si muovono in cerchio La materia non si consuma Gli elettroni non si consumano L’anello rigido è spinto da un lato e tirato Il gas elettronico è spinto da un lato e tirato dall’altro dal motore dall’altro dalla fonte di potenza L’anello rigido si comprime o si allunga per azione del motore. La densità delle cariche in superficie cambia. Modelli limitati per la corrente elettrica Rispetto all’anello rigido, la catena della bicicletta, la cinghia di distribuzione, il circuito sanguigno e i sistemi circolari quali quello di riscaldamento dell'acqua si possono usare come modelli di circuito elettrico in maniera molto più limitata. Tali sistemi non trasmettono forza ma piuttosto materia ricca di energia. La trasmissione di energia si associa quindi al moto del mezzo che la trasmette. All’interno di un circuito elettrico gli elettroni vagano a una velocità piuttosto bassa mentre l’energia si diffonde quasi alla velocità della luce. Un modello problematico del circuito elettrico potrebbe anche essere un modello i cui singoli componenti si possono spostare uno per uno (come camion sulla strada). In contrasto rispetto a questo sistema, gli elettroni non hanno una spinta propria ma sono spinti da una fonte di potenza esterna. 7. Simulazione della corrente e del voltaggio in un circuito Gli studenti possono costruire circuiti elettrici semplici con l’aiuto di un’applet interattiva per capire la distribuzione delle cariche di superficie. La corrente si visualizza graficamente a forma di triangoli in luoghi selezionati. Il voltaggio dei componenti è legato alla densità delle cariche di superficie (si indica perpendicolarmente al circuito). Pagina 24 di 39 ESTABLISH Fig. 7 Simulazione della corrente e del voltaggio in un’applet interattiva 8. Resistori in serie La resistenza dell’elemento del circuito descrive la sua capacità di “reagire” alla corrente che vi scorre dentro. Se si collegano i resistori in serie, la corrente deve reagire alla resistenza di tutti i resistori collegati. Qual è la resistenza equivalente di tutti i resistori collegati in serie? In ciascun resistore c’è una carica di superficie nell’area tra il resistore e il filo elettrico. La differenza totale fra le cariche di superficie prima e dopo il resistore equivale alla somma delle cariche a ognuno dei resistori. Quindi la resistenza totale dei resistori collegati in serie è la somma della resistenza di tutti i resistori collegati. Gli studenti utilizzano una simulazione interattiva per visualizzare corrente e voltaggio nei circuiti in serie. Fig. 8 Circuiti in serie con resistori 9. Come si divide la corrente in un nodo? In un circuito elettrico con diramazioni la corrente si divide a seconda dei resistori all’interno delle diverse diramazioni parallele. Come spiegheresti il meccanismo per dividere la corrente in un nodo? Subito dopo aver chiuso il circuito con diramazioni parallele, la stessa corrente passa per ogni diramazione. Nei punti in cui sono collegati i resistori in un nodo cominciano ad accumularsi le cariche di superficie. La loro densità è influenzata dal valore della resistenza nella diramazione: più grande è il resistore minore sarà la corrente. Pagina 25 di 39 ESTABLISH Fig. 9 Distribuzione della carica di superficie in un circuito in serie Fig. 10 Distribuzione della carica di superficie in un circuito in parallelo Gli studenti utilizzano una simulazione interattiva per visualizzare corrente e voltaggio nei circuiti in parallelo. Fig. 11 Circuiti in parallelo con resistori Domande possibili: Quando un oggetto è elettrico? Che cos’è una fonte elettrica di potenza? Come passa la corrente elettrica in un conduttore? Come passa la corrente elettrica in un resistore? Perché il voltaggio si trova sul resistore che trasporta la corrente? Quando si riuniscono gli elettroni (resistori in serie)? Come si divide la corrente in un nodo? Qual è la resistenza di due resistori collegati in serie (parallelo)? 8. Attività: Il corpo umano obbedisce alla legge di Ohm? Obiettivi di apprendimento: Capire che il corpo umano si comporta come un resistore e obbedisce alla legge di Ohm Capire a che cosa è dovuto il pericolo legato all’elettricità Comprendere gli effetti dell’elettricità sul corpo umano Pagina 26 di 39 ESTABLISH Presentare le applicazioni della corrente elettrica al corpo umano (per esempio in medicina) Materiali: Un testo sugli effetti dell’elettricità sul corpo umano Risorse prese da internet sugli effetti dell’elettricità sul corpo umano e su altre applicazioni dell’elettricità al corpo umano Suggerimenti d’impiego: In questa attività gli studenti analizzano il testo sull’effetto dell’elettricità sul corpo umano o fanno ricerche su internet o altrove riguardo all’argomento e preparano quindi una breve presentazione. L’attività può essere realizzata da un gruppo, che cerca informazioni da varie fonti e redige poi una presentazione da condividere con i compagni. L’approccio interdisciplinare fisica-biologia si può potenziare cercando informazioni sugli effetti fisiologici dell’elettricità (ustione, contrazione muscolare, fibrillazione cardiaca). Ci sono anche ottimi esempi di applicazione intenzionale della legge di Ohm al corpo umano, come l’impiego medico o l’analisi dell'impedenza bioelettrica per valutare la composizione corporea. Un altro gruppo di studenti può occuparsi di queste applicazioni e preparare una presentazione da discutere in classe. Domande possibili: Il corpo umano è un buon conduttore di elettricità? Che cosa succede se l’elettricità ci attraversa? È il voltaggio o la corrente a causare le scosse elettriche? Perché le persone sono buoni conduttori di elettricità? Perché non si deve toccare nulla di elettrico con le mani bagnate o quando si è in acqua? Come si può aumentare la sicurezza per evitare di prendere la scossa? Qual è l’impiego medico della corrente elettrica sul corpo? 9. Attività: Lo strano comportamento delle lampadine Obiettivi di apprendimento: Comprensione del concetto di energia elettrica e potenza erogate al resistore attraverso l’analisi del comportamento delle lampadine in un circuito cc Materiali: Due lampadine identiche (per esempio da 6V/0,3A, 6V/0,1A), due lampadine identiche (per esempio da 6V/0,05A), una fonte di potenza (6V), fili elettrici, computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6), un sensore di corrente e un sensore differenziale di voltaggio (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si possono utilizzare amperometro e voltometro) Suggerimenti d’impiego: Pagina 27 di 39 ESTABLISH In questa attività, gli studenti, che hanno già imparato il collegamento in serie dei resistori e il concetto di energia e potenza dissipate nel resistore, devono risolvere due problemi analizzando il comportamento delle lampadine in un circuito cc. Si possono affrontare entrambi con il metodo dell’indagine guidata (o mirata, a seconda del livello degli studenti). In ogni caso i ragazzi lavoreranno in gruppi da 2-3. Si hanno a disposizione due diverse lampadine e una fonte di potenza con voltaggio standard in modo da poter accendere le lampadine separatamente l’una dall’altra o collegarle in serie. Avendo capito questi semplici esperimenti, potranno emergere nuovi problemi. Problema 1, attività 1,2: Se in un portalampada si mettono due lampadine identiche, queste brilleranno alla stessa intensità. Se vi si mettono altre due lampadine identiche (diverse dalle prime), brilleranno anch’esse alla stessa intensità. Se se ne mettono due diverse, una si accenderà e l’altra no (o sarà molto fioca). Gli studenti conducono un’indagine guidata, realizzando esperimenti in base alle istruzioni del foglio di lavoro. Ricercano qual è la quantità fisica responsabile della luminosità della lampadina per scoprire che l’energia (o potenza) dissipata è fondamentale. Con l’ausilio dei sensori, realizzano le misurazioni di corrente e voltaggio della lampadina per determinare la potenza dissipata nella stessa. Se due lampadine sono collegate in serie, la potenza dissipata in ciascuna di esse diminuisce. A condizioni stazionarie, quella che attrae la potenza più vicina alla sua condizione normale brilla; l’altra emette al massimo un fioco bagliore. Fig. Esempio dei risultati di misurazione di due lampadine collegate a una fonte di potenza da 6V Nell’indagine mirata gli studenti hanno di fronte il problema e i materiali a disposizione e progettano un esperimento per riflettere sullo strano comportamento delle lampadine. Problema 2, attività 3, 4: Se in un portalampada si mettono due lampadine diverse, una si accenderà dopo rispetto all’altra. Si nota un evidente scarto temporale tra le due. Se hanno fatto la ricerca precedente, gli studenti potrebbero svolgere questa attività come indagine mirata, progettando un esperimento e stabilendo come misurare e analizzare le quantità pertinenti. Possono trarre conclusioni analizzando i diagrammi di corrente, voltaggio, resistenza e potenza. Le lampadine, collegate in serie, si accendono gradualmente, quindi la loro resistenza cambia dopo un po’ di tempo e il voltaggio e la potenza si ridistribuiscono. Di conseguenza una lampadina si accende gradualmente (la potenza aumenta) e l’altra si affievolisce un po’ (la potenza diminuisce). Pagina 28 di 39 ESTABLISH Fig. Esempio dei risultati di misurazione di due lampadine in serie collegate a una fonte di potenza da 6V La ricerca si può estendere all’analisi di lampadine della stessa categoria di diversa provenienza oppure dello stesso produttore ma di lotto diverso. Va segnalato che, anche se una determinata categoria rispetta gli stessi parametri, in realtà possono esserci variazioni in alcuni casi. Si può presentare il contenuto industriale con esempi di lampadine dal diverso consumo di energia. Le lampadine a incandescenza vengono gradualmente sostituite da altri tipi di luci elettriche, passando a un modo di illuminare più efficiente. Gli studenti possono cercare altri dispositivi elettrici e confrontare lo stesso tipo di dispositivo fabbricato da produttori diversi con riferimento alla potenza assorbita. Domande possibili: Che cosa determina la luminosità della lampadina? Come risulta influenzata la luminosità della lampadina se si collegano due lampadine identiche in serie o se piuttosto le lampadine sono collegate separatamente alla stessa fonte di potenza? Descrivere e spiegare in termini di corrente, voltaggio, potenza e resistenza. Come risulta influenzata la luminosità della lampadina se si collegano due diverse lampadine in serie o se piuttosto le lampadine sono collegate separatamente alla stessa fonte di potenza? Descrivere e spiegare in termini di corrente, voltaggio, potenza e resistenza. Che cosa succede subito dopo aver chiuso l’interruttore se si collegano due diverse lampadine in serie? Descrivere e spiegare in termini di corrente, voltaggio, potenza e resistenza. Come si comportano in un circuito cc due lampadine della stessa categoria ma di diversa Pagina 29 di 39 ESTABLISH provenienza o anche dello stesso produttore ma di lotto diverso? Confrontare diverse lampadine acquistate in un negozio considerando la potenza assorbita. Confrontare altri dispositivi elettrici in termini di potenza assorbita. 10. Attività: Costruire una batteria Obiettivi di apprendimento: Comprendere i principi base della cella elettrochimica come fonte di voltaggio Scoprire quale combinazione di materiali produce voltaggio Distinguere le batterie ricaricabili da batterie non ricaricabili e le principali differenze tra questi due tipi di batterie Materiali: Monete di metallo diverso, soluzione salina (acido, soluzione alcalina), carta velina, un limone, pinzette a coccodrillo, un bisturi, una matita di grafite (C), un chiodo di ferro (Fe), una lamina di magnesio (Mg), una lamina di zinco (Zn), lamine di piombo, becher per elettrolisi, soluzione di acido solforico (10%), un alimentatore (da 6V), un interruttore bipolare, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6), un sensore di voltaggio (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si può utilizzare il voltmetro) Suggerimenti d’impiego: Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Costruire una batteria”. Le prime due attività, finalizzate alla costruzione di celle primarie fatte di materiali semplici, si possono svolgere in gruppi come indagine guidata. Se non c’è sufficiente tempo o materiale, ciascun gruppo si occupa di una diversa combinazione di materiali, le scoperte vengono poi messe insieme e si traggono le conclusioni in una discussione di classe. La terza attività sulla costruzione della cella secondaria si può svolgere come esperimento interattivo presentato dall’insegnante, che si occupa della misurazione del voltaggio mentre si carica e si scarica con l’ausilio del sensore di voltaggio collegato al computer (o al voltometro). Tuttavia gli studenti possono registrare le scoperte sul foglio di lavoro. Nel corso dell’esperimento l’insegnante interagisce con loro per discutere e rispondere alle domande del foglio di lavoro. Tali attività sono ottimi esempi per mostrare il contenuto industriale. Le batterie sono strumenti che gli studenti usano spesso, per cui si tratta di un buon punto di partenza per attrarre la loro attenzione e continuare ricerca e indagine. Si può anche accennare agli aspetti ambientali dello smaltimento delle batterie e del loro riciclaggio. Pagina 30 di 39 ESTABLISH Domande possibili: Come si produce l’energia elettrica in una cella elettrochimica? Qual è la differenza tra cella primaria e secondaria? Qual è il principio fisico che sta alla base della cella primaria? Qual è il principio fisico che sta alla base della cella secondaria? Quali sono le applicazioni delle batterie nella vita di tutti i giorni? Quali sono gli aspetti ambientali dell’utilizzo delle batterie? 11. Attività: La batteria e i suoi parametri base Obiettivi di apprendimento: Comprendere le differenze tra generatori di forza elettromotrice ideali e reali Comprendere il concetto di resistenza interna del generatore di fem e la sua influenza sulla capacità di trasportare la corrente Comprendere la relazione tra il voltaggio della batteria e la corrente che scorre nel circuito e interpretarne il diagramma Comprendere il trasferimento di potenza al carico e l’efficienza del trasferimento di potenza in relazione alla resistenza del carico Materiali: Una batteria (per esempio una zinco carbone da 4,5V, meglio se una di quelle vecchie con elevata resistenza interna), fili elettrici, un resistore con resistenza regolabile (per esempio a 100), computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6), un sensore di corrente e un sensore di voltaggio (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si possono utilizzare amperometro e voltmetro) Pagina 31 di 39 ESTABLISH Suggerimenti d’impiego: In questa attività gli studenti studiano la batteria e le intrinseche proprietà che ne influenzano l’uso. Prima di cominciare l’attività gli studenti hanno appreso la legge di Ohm e il concetto di energia e potenza dissipate nel resistore. Comprendono i concetti di forza elettromotrice (in termini di lavoro o energia) e di resistenza interna del generatore di fem. Innanzitutto viene spiegato che l’energia prodotta dal generatore di fem si trasferisce attraverso una dissipazione resistiva nella parte esterna (carico con la resistenza totale R) e in quella interna del circuito (con la resistenza interna Ri): U eQ UQ U i Q U e I 2t RI 2t Ri I 2t Fig. Risultati sperimentali di U in relazione a I Quindi il voltaggio nella parte esterna del circuito (ovvero il voltaggio ai terminali) si può esprimere come U U e Ri I . L’introduzione teorica è seguita da quattro piccole attività. Per realizzarle, suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “La batteria e le sue proprietà”. Ogni gruppo si occupa del comportamento di diverse batterie e alla fine si confrontano i risultati in una discussione di classe. Per ottenere i risultati attesi, la batteria utilizzata nell’esperimento dovrebbe avere una resistenza interna piuttosto grande (significativamente più grande di quella della sonda di corrente e dei connettori), affinché se ne possa fissare la resistenza esterna minima a un valore più basso. Va bene una vecchia batteria zinco carbone da 4,5V già usata, poiché, proprio per l’invecchiamento, la sua resistenza interna aumenta sensibilmente continuando a soddisfare il valore della forza elettromotrice. Nella prima attività gli studenti analizzano il comportamento di una vera batteria in un circuito cc misurando il voltaggio tra i terminali rispetto alla corrente nel circuito. Usando sensori di corrente e di voltaggio, registrano la relazione voltaggio-corrente e ne interpretano il diagramma. Imparano che il voltaggio ai terminali di veri generatori di f.e.m. è sempre minore rispetto alla forza elettromotrice, poiché vi è una resistenza interna r. Il generatore di f.e.m. ideale ha resistenza interna pari a zero. I ragazzi comprendono che la resistenza interna della fonte di potenza influenza la capacità di quest’ultima di trasportare corrente. L’attività si svolge con la modalità della scoperta guidata. Nelle due attività successive gli studenti ricercano il trasferimento di potenza dalla batteria al carico e la sua efficienza in relazione alla resistenza del carico. Svolgono un’indagine guidata per scoprire a quali condizioni si hanno il massimo trasferimento di potenza e la massima efficienza. Il collegamento con l’industria può essere sottolineato fornendo esempi di situazioni in cui Pagina 32 di 39 ESTABLISH si usa il massimo trasferimento di potenza o la massima efficienza del trasferimento di potenza. L’efficienza del trasferimento di potenza dalla fonte al carico aumenta all’aumentare della resistenza del carico. Tuttavia il massimo trasferimento di potenza si ottiene quando la resistenza del carico corrisponde alla resistenza interna della fonte, mentre l’efficienza del trasferimento di potenza è solo al 50%. Il problema di ottenere sia elevata efficienza sia massimo trasferimento di potenza si risolve con un compromesso in cui vengono impiegate grandi quantità di potenza e vi è una sostanziale efficienza, la resistenza del carico è grande in relazione alla resistenza della fonte, in modo da mantenere basse le perdite e raggiungere in questo caso un’elevata efficienza (batterie, alimentatori, centrali elettriche). Laddove vi è il problema sostanziale di far corrispondere la fonte al carico, come nei circuiti degli strumenti per la comunicazione (amplificatori, radioricevitori o radiotrasmettitori), un segnale forte può essere più importante di un’elevata percentuale di efficienza. In questo caso l’efficienza è soltanto al 50%, mentre il trasferimento di potenza può essere il massimo che riesce a fornire la fonte. Nell’ultima attività progettata come indagine mirata, oltre ai risultati ottenuti con le misurazioni, gli studenti possono creare semplici modelli dei fenomeni indagati sperimentalmente nell’attività precedente. Partendo dalla conoscenza teorica dei processi, costruiscono il modello del voltaggio ai terminali relativo alla corrente che scorre nel circuito, del trasferimento di potenza e dell’efficienza del trasferimento di potenza relativo alla resistenza del carico. Quindi confrontano il modello con i dati sperimentali cercando quelli che si approssimano di più ai risultati sperimentali. Fig. Modello vs dati sperimentali per una batteria (Ue=3,54V, Ri=5,8) Il voltaggio ai terminali della fonte di potenza è costante? Cambia con un diverso carico (corrente)? Com’è influenzato il voltaggio ai terminali della fonte di potenza dalla corrente che scorre nel circuito? Qual è il motivo principale per cui il voltaggio ai terminali della fonte di potenza non è costante? C’è differenza tra una batteria zinco carbone e una batteria alcalina con la stessa forza elettromotrice? Da che cosa è influenzato il trasferimento di potenza al carico? A quale condizione si ha il massimo trasferimento di potenza al carico? Qual è l’efficienza del trasferimento di potenza nella condizione di massimo trasferimento di potenza? A quale condizione si raggiunge la massima efficienza del trasferimento di potenza? Qual è l’obiettivo principale: ottenere il massimo trasferimento di potenza o la massima Pagina 33 di 39 ESTABLISH efficienza del trasferimento di potenza? 12. Attività: Le batterie in serie e in parallelo Obiettivi di apprendimento: Capire qual è lo scopo delle batterie in serie e come il collegamento in serie influenza le caratteristiche delle batterie Capire qual è lo scopo delle batterie in parallelo e come il collegamento in parallelo influenza le caratteristiche delle batterie Materiali: Due (o più) batterie (di cui, per esempio, una zinco carbone da 4,5V), fili elettrici, un resistore con resistenza regolabile (per esempio a 100), computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6), un sensore di corrente e un sensore di voltaggio (se il computer con l’interfaccia non è disponibile, si possono utilizzare amperometro e voltometro) Suggerimenti d’impiego: In questa attività gli studenti analizzano il comportamento di batterie collegate in serie e in parallelo per scoprire lo scopo di tali connessioni. Dovrebbero conoscere già le caratteristiche della batteria in termini di forza elettromotrice e di resistenza interna, nonché la connessione di resistori in serie e in parallelo. Suddividere la classe in piccoli gruppi da 2-3 e distribuire il materiale per l’attività “Le batterie in serie e in parallelo”. L’attività si può svolgere nella modalità dell’indagine mirata. Gli studenti analizzano la connessione di batterie identiche o diverse, stabiliscono da soli la procedura sperimentale e traggono conclusioni sulla forza elettromotrice e sulla resistenza interna di una batteria, equivalente a connessioni in serie o parallelo. Analizzano inoltre la potenza erogata al carico. Le approssimazioni lineari di voltaggio vs corrente ai terminali permettono agli studenti di ricavare i valori della forza elettromotrice e della resistenza interna e di confrontare la massima potenza calcolata e la resistenza del carico a cui si verifica con i dati sperimentali. Domande possibili: Come cambiano forza elettromotrice e resistenza interna se le batterie sono collegate in serie (parallelo)? Discutere della connessione di due batterie identiche e due diverse. Come collegare due batterie per ottenere il massimo trasferimento di potenza al carico? Pagina 34 di 39 ESTABLISH 13. Attività: Come uccide la preda l’anguilla elettrica? Obiettivi di apprendimento: Applicare la conoscenza delle proprietà delle batterie collegate in serie/parallelo a una situazione di vita reale Comprendere gli effetti dell’elettricità su un organismo vivente Materiali: Un testo sull’anguilla elettrica Risorse prese da internet su come l’anguilla elettrica produce elettricità Suggerimenti d’impiego: In questa attività gli studenti dovrebbero applicare le conoscenze precedentemente acquisite a una situazione di vita reale del mondo animale. Gli studenti analizzano il testo o utilizzano altre risorse internet sull’anguilla elettrica. Sulle basi di ciò preparano una breve presentazione analizzando e spiegando il fatto che l’anguilla elettrica riesce a produrre corrente per uccidere la preda senza prendere la scossa. L’approccio interdisciplinare fisica-biologa si può potenziare cercando informazioni sull’anatomia e sulla fisiologia dell’anguilla elettrica (della razza elettrica, del pesce-gatto elettrico, ecc.) e sugli organi che producono elettricità. L’attività si può svolgere sotto forma di indagine mirata, per esempio come compito a casa. Gli studenti, in gruppo o individualmente, cercano informazioni allo scopo di presentarle e discuterle in classe. Domande possibili: Come riesce l’anguilla elettrica a produrre tanta corrente senza prendere la scossa? Quali sono i generatori di f.e.m. dell’anguilla elettrica? Come sono collegati? Schematizzare tali generatori. Qual è il tipico voltaggio prodotto dall’anguilla elettrica? Spiegare perché l’anguilla uccide la preda senza ferirsi. Quali altri animali predano allo stesso modo? 14. Attività: Quanta energia è contenuta in una batteria? Obiettivi di apprendimento: Capire che la batteria immagazzina l’energia che è consumata dal carico Capire quanta carica ed energia sono fornite da una batteria misurando la corrente e il voltaggio in un circuito Comprendere le proprietà di una buona batteria in termini di vita ed economia Capire quali parametri prendono in considerazione i produttori nel fabbricare batterie adeguate Materiali: Pagina 35 di 39 ESTABLISH Batterie della stessa dimensione (AAA, AA, C o D) di diversi produttori, fili elettrici di connessione, computer, interfaccia e software (per esempio CMA Coach6), sensore di voltaggio (non necessariamente), sensore di corrente (se il sensore di corrente non è disponibile, per misurare la corrente si raccomanda il resistore di valore noto RA, ad esempio RA=1) Suggerimenti d’impiego: L’attività mira alla comprensione delle proprietà della batteria relativamente all’energia che può fornire al circuito e di come stabilire se una batteria è buona. Durante la lezione gli studenti stabiliscono vari punti a seconda di quante batterie verranno misurate. Possono utilizzare batterie di diversi produttori con lo stesso valore di fem (non ricaricabili e ricaricabili). Con l’ausilio del computer e dei sensori misurano corrente e voltaggio del carico esterno mentre la batteria si scarica. Poiché la misurazione può durare anche 24 ore, si raccomanda di cominciare durante una lezione e salvare i risultati l’indomani. Poi, lavorando in gruppi da 2-3, gli studenti analizzano i risultati. Ciascun gruppo si occupa di una delle batterie misurate. Si determina prima la capacità della batteria nell’area sotto il grafico corrente-tempo, poi si analizza la potenza erogata alla parte esterna del circuito, quindi si calcola la quantità di energia erogata al circuito determinando l’area sotto il grafico potenza vs tempo. Alla fine i gruppi confrontano i rispettivi risultati per le batterie di diversi produttori relativamente all’energia erogata al carico e traggono le conclusioni. Fig. Capacità della batteria nell’area sotto il diagramma corrente-tempo. Fig. Energia immagazzinata nella batteria nell’area sotto il diagramma potenza-tempo. La misurazione avviene in forma di indagine guidata, seguendo le istruzioni del foglio di lavoro. In base al livello di comprensione degli studenti, l’insegnante può optare per l’indagine mirata. L’attività offre molte applicazioni industriali. Fra queste, la conoscenza delle proprietà della batteria importanti per il consumatore (ricaricabilità, non ricaricabilità, voltaggio, corrente, fornitura di energia, vita, economia, prezzo, peso, autoscarica, effetti di memoria delle batterie ricaricabili). L’attività può essere seguita da un compito di indagine aperta volto a formulare altre domande della ricerca considerando proprietà delle batterie quali l’autoscarica, l’effetto della temperatura sulla prestazione della batteria, l’effetto di memoria, la prestazione della batteria quando se ne interrompe più volte il funzionamento (l’effetto sul voltaggio e sulla Pagina 36 di 39 ESTABLISH corrente ai terminali), ecc. Gli studenti progettano un esperimento per rispondere alle domande della ricerca. Domande possibili e domande di ricerca: Quale energia è immagazzinata in una batteria? Quanta carica è immagazzinata in una batteria? Qual è l’energia erogata al circuito mentre la batteria si scarica? Quali parametri si dovrebbero prendere in considerazione quando si acquista una batteria per un determinato scopo? Le domande della ricerca possono includere: Che cosa si intende per auto-scarica ed effetto di memoria? Qual è l’influenza della temperatura sulla prestazione della batteria? Come funziona la batteria quando se ne interrompe più volte il funzionamento? Pagina 37 di 39 ESTABLISH 15. Attività: Le batterie e il loro uso ragionevole Obiettivi di apprendimento: Comprendere gli aspetti industriali e ambientali delle batterie Comprendere i principi e le proprietà di base delle batterie per impararne le applicazioni nella vita di tutti i giorni relativamente al loro scopo di utilizzo Comprendere gli aspetti ambientali delle batterie (smaltimento e riciclaggio) Materiali: Risorse prese da internet, risorse cartacee a disposizione Suggerimenti d’impiego: Nella comprensione dei principi e delle proprietà delle batterie, gli studenti possono lavorare sulle applicazioni industriali e ambientali e sugli aspetti ecologici delle batterie. L’attività prevede piccoli compiti a casa pensati come lavori per ricercare informazioni su uno specifico problema e preparare una breve presentazione per la classe. L’attività si può svolgere come compito di indagine aperta. Lavorando in gruppo, gli studenti possono formulare il problema da risolvere e utilizzare le risorse prese da internet e le altre risorse cartacee a disposizione per ricercare le informazioni rilevanti. Domande di ricerca possibili: Possibili compiti per svolgere un’indagine aperta sugli aspetti industriali e ambientali delle batterie: Cercare informazioni sulle batterie non ricaricabili disponibili nei negozi. Scoprire di quali materiali sono fatte, qual è il voltaggio prodotto e l’energia fornita e per che cosa sono utilizzati principalmente. Cercare informazioni sulle batterie ricaricabili, ad esempio le batterie delle macchine. Descriverne le proprietà ed elencare i possibili problemi in cui può imbattersi l’utilizzatore. Cercare informazioni sulle batterie ricaricabili disponibili nei negozi. Scoprire di quali materiali sono fatte, qual è il voltaggio prodotto e l’energia fornita e per che cosa sono utilizzate principalmente. Confrontare batterie della stessa dimensione e con la stessa forza elettromotrice ma di diversi produttori. Il veicolo elettrico della batteria e la sua prospettiva futura. Quali regole dovrebbe seguire la gente riguardo lo smaltimento e il riciclaggio delle batterie (qual è il centro di riciclaggio di batterie più vicino alla scuola?). Quali sono i pericoli ambientali delle batterie? Pagina 38 di 39 ESTABLISH 16. Attività: Fonti alternative di elettricità Obiettivi di apprendimento: Presentare altre fonti elettrochimiche, quali la cella combustibile Presentare la cella fotovoltaica Materiali: Risorse prese da internet, altre risorse sulla cella combustibile e sulla cella fotovoltaica Suggerimenti d’impiego: L’attività si può svolgere come indagine mirata. Agli studenti è dato il compito di preparare una presentazione per i compagni sulle fonti elettriche alternative, quali la cella combustibile e la cella fotovoltaica. Le risorse possono includere: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics#Solar_cells http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell Domande possibili: Come funziona la cella fotovoltaica? Per che cosa si utilizza la cella fotovoltaica? Come funziona la cella combustibile? Quali sono le applicazioni delle celle? Bibliografia: Sherwood B., Chabay R. W. A., A unified treatment of electrostatics and circuits, consultabile su <http://matterandinteractions.org/Content/Articles/circuit.pdf > Helping Students Learn Physics Better, Preconceptions and Misconceptions, consultabile su <http://phys.udallas.edu/C3P/Preconceptions.pdf> Haertl H., The electric circuit as a system: A new approach (1982), Eur.J.Sci.Educ., 1982, vol.4, N.1, 4555 Haertl H., Conceptual learning of circuit, kiel.de/~hhaertel/CLOC_doc/CLOC_doc_uk/index.htm consultabile su http://www.astrophysik.uni- Engelhardt P.V., Beichner R. J., Students understanding of direct current resistive electrical circuits (2007), Am. J. Phys. 72, 2007, 98-115 Getty J. C., Assessing Inquiry Learning in a Circuits/Electronics Course, Proceedings of the 39th ASEE/IEEE frontiers in Education Conference, October 18-21, 2009, San Antonio, TX, consultabile su <http://fie2012.org/sites/fie2012.org/history/fie2009/papers/1028.pdf> Wenning (2005), Levels of Inquiry: Hierarchies of pedagogical practices and inquiry processes. Journal of Physics Teacher Education Online, 2(3), 3-11 Coach 6 system, consultabile su <http://cma-science.nl/english> Appel K., Gastineau J., Bakken C., Vernier D., Physics with Vernier, ISBN 978-1-929075-42-3 Meador G., Inquiry Physics, A modified Learning Cycle Curriculum, Unit 5: Electrical Circuits, consultabile su <inquiryphysics.org> The workshop Tutorials for Physics, consultabile su <http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/> Pagina 39 di 39 ESTABLISH
