UNA PROPOSTA DI PERCORSO SULL INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

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1 UNA PROPOSTA DI PERCORSO SULL INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Marisa Michelini and Rossana Viola Resarch Unit in Physics Education of the University of Udine, Italy

2 NODI DI APPRENDIMENTO SULL INDUZIONE ELETTROMGNETICA Il concetto di campo come sovrapposizione (S. Rainson and L. Viennot, 1992) sorgenti del campo (D. P. Maloney, T. L. O Kuma, C.J. Hieggelke and A. Van Heuvelen, 2001; J. Guisasola, J. M. Almudi and M. Ceberio, 2004) la rappresentazione del campo (J. Guisasola, J. M. Almudi and M. Ceberio, 2004; A. T. Borges and J. K. Gilbert, 1998) linee di campo e traiettoria (S. Tornkwist, K. A. Pettersson and G. Transtromer, 1993) l induzione em (W. M. Thong and R. Gunstone, 2008; I. Galili and D. Kaplan, 1997; Stefanel, 2008)

3 Esplorando per esempio le interazioni magnetiche nel CASO STATICO, emergono alcuni problemi di apprendimento : la reciprocità nell interazione l riconoscimento delle sorgenti dl campo, della geometria delle linee di campo Da questi problemi, ne emergono altri sulla natura del campo : è un ente materiale? È uno stato dello spazio? e, se è materiale, come accade che nel caso di un elettromagnete questa entità può esere creata o distrutta dal passaggio di una corrente? Quali le proprietà di questa entità? (W. M. Thong and R. Gunstone, 2008; Stefanel, 2008)

4 Nel CASO DINAMICO, Emergono difficoltà nell intrpretazione dell induzione elettromagnetica : in alcuni esempi dal CSEM assessment test (D. P. Maloney, T. L. O Kuma, C.J. Hieggelke and A. Van Heuvelen, 2001), gli autori esplorano se gli studenti riconoscono il ruolo della variazione del flusso o se associano l induzione al movimento relativo. un altro esempio riguarda il caso di una barra conduttrice in movimento in un campo magnetico. I risultati mostrano che molti studenti non distinguno fenomeni elettrici e magnetici e che non riconoscono la Forza di Lorentz e che ci sono cariche libere di muoversi nella barra Sono state rilevate anche difficoltà nell applicazione della Legge d Lenz (E. Bagno and B. S. Eylon, 1997) : nella determinazione del verso del campo magnetico indotto

5 Molti studi in letteratura (Guidoni, Durban ) indicano la necessità di lavorare per proposte in PROSPETTIVA VERTICALE Per questa ragione è stato condotto uno studio dedicato al nodo specifico dell induzione elettromagnetica per studenti di Scuola Media e Biennio di Scuola Superiore.

6 UN PROGETTO DI RICERCA -Nella Scuola Media: In una attività di 6 h per ogni classe sono state implementate in parallelo 3 differenti strategie in 3 classi con gli stessi pre-requisiti. A) Percorso didattico esplorativo sperimentale: l approccio utilizzato è quello dei Laboratori concettuali CLOE (Michelini, 2005) in cui viene proposto un percorso esplorativo hands-on con l uso di schede stimolo (Martongelli, 2001; Michelini, 2003) basate su cicli SPPEA (Situation, Prevision, Planning, Experiment, Analysis). Interviste Rogersiane seguono l attività per chiarire idee spontanee e tipi di ragionamento. Girep 2008 B) Percorso didattico basato sul PSO (Michelini, 2005). C) Percorso didattico basato sugli Artefatti come strumento di mediazione semiotica (Bartolini Bussi, Lyn D Englis, Graham A. Jones, Richard A. Lesh, Dina Tirash, 2002). In questo contesto la strategia SPPEA è applicata nel modo seguente: sono utilizzate 6 schede studente, ognuna delle quali contenente in media 3 problemi su situazioni sperimentali aperte, in cui viene proposto di osservare la fenomenologia e di fare ipotesi e previsioni da utiizzare per progettare una esplorazione sperimentale con i materiali messi a disposizione o altri da ricercare. Nell analisi di queste esplorazioni sperimentali, gli studenti sono richiesti di dare una interpretazione o una spiegazione operativa dei fenomeni. La metodologia di lavoro è sempre il coinvolgimento personale attivo di tutti gli studenti,in piccoli gruppi fissi, scelti in modo tale da consistere di studenti di tutti I livelli.

7 IL PERCORSO Le situazioni: Lo spazio intorno a un magnete: rappresentazione del campo magnetico attraverso le linee. Interazioni tra un magnete e oggetti di diversi materiali. 2 o più magneti : la sovrapposizione di campi. Effetti magnetici di una corrente elettrica: campo magnetico intorno a una corrente e sovraposizione nel caso di più correnti. Comportamento di : un magnete, oggetti ferromagnetici, oggetti fatti di altri materiali, bussola In un campo magnetico. Una corrente in un campo magnetico: la Forza di Lorentz. Una spira in un campo magnetico: situazoni che generano induzione elettromagnetca.

8 LE SITUAZIONI IN DETTAGLIO S1 Oggetti di materiale ferromagnetico e magneti: interazioni. Esplorazione dello spazio circostante a un magnete.

9 S2 Una bussola lontano e vicino a un magnete: sua orientazione. Esplorazione con una bussola dello spazio intorno a un magnete. S3 Una piattaforma di bussole lontano e vicino a un magnete: loro orientazione

10 S4 Cambia la posizione del magnete sulla piattaforma di bussole: come cambia la configurazione delle linee di campo. S5 Cambia l inclinazione della piattaforma di bussole rispetto al magnete: la tridimensionalità della struttura delle linee di campo.

11 S6 Si pone sulla piattaforma di bussole, prima un solo magnete, poi due e poi se ne toglie uno nuovamente: osservazione di come cambia la configurazione di linee di campo in presenza di più magneti. S7 Una corrente elettrica in un filo e una bussola: esplorazione degli effetti magnetici di una corrente. S8 Esperimento di Oersted: linee di campo intorno a un filo percorso da corrente.

12 S9 Bussole intorno a due fili percorsi da corrente: linee di campo. S10 Ripetere l esplorazione da un diverso punto di vista: interazioni tra un magnete e oggetti di materiali differenti.

13 S11 Un filo non percorso, prima, e percorso da corrente, poi, tra le espansioni polari di un magnete: esplorazione della Forza di Lorentz S12 Un filo non collegato ad un generatore in un campo magnetico: esplorazione libera delle situazioni che generano corrente indotta

14 S13 La Legge di Faraday-Neumann. Esplorazione guidata che genera induzione elettromagnetica: a) Variazione della superficie. b) Variazione dell angolo tra la normale alla superficie e le linee di campo c) Variazione dell intensità del campo magnetico d) Cambio della velocità di variazione del flusso

15 ESEMPI DI DEFINIZIONE DI DOMANDE DI RICERCA S3 Una piattaforma di bussole lontano e vicino a un magnete: loro orientazione R9- Viene riconosciuto il parallelismo degli aghi quando sono lontani dal magnete o vengono solo tracciate le linee? R10- Vengono descritte le linee e/o anche effettuato un confronto? R11- L illustrazione riguarda gli stati o il processo di cambio di direzione e, quando viene individuato il processo, viene riconosciuta la nuova configurazione come caratteristica prodotta dal magnete? R12- viene riconosciuto che si tratta di una sovrapposizione o scompare completamente il ruolo del campo magnetico terrestre?

16 ESEMPI DI DEFINIZIONE DI DOMANDE DI RICERCA S6 Si pone sulla piattaforma di bussole, prima un solo magnete, poi due e poi se ne toglie uno nuovamente: osservazione di come cambia la configurazione di linee di campo in presenza di più magneti. R25- Viene riconosciuto il principio di sovrapposizione ed utilizzato per spiegare il cambiamento della configurazione delle linee? R26- I singoli magneti sono identificati come sorgenti del campo descritto dalle linee? R27- La nuova configurazione di linee viene considerata come una composizione punto per punto o solo una nuova configurazione? Il cambiamento della configurazione delle linee di campo è considerato globalmente o localmente?

17 ANALISI DEI DATI classificazione delle risposte in classi definite a priori, analisi statstica di risposte standard, studio di caso qualtatvo per particolari modelliinterpretativi, confronto tra dati qualitativi e quantitativi, controllo usando interviste Rogersiane.

18 REFERENCES Bagno, E. and Eylon, B. S., Am. J. Phys. 65 (8) (1997). Bartolini Bussi, M., Lyn D Englis, Graham A. Jones, Richard A. Lesh, Dina Tirash, Handbook of International Research in Mathematics Education. Publisher Lawrence Erlbaum Associates, Place of publication Mahwah, NJ, 2002, chapter 28 Bradamante, F., Michelini, M., Childrens ideas about gravitation: investigating a model of gravitationalfield, in Teaching and learningphysics in new contexs, Girep book of selected papers, Ostrava Czech Republic, 2004, p.l [ISBN ] Bradamante, F., Fedele, B., Michelini, M., (2005), Children s spontaneous ideas ofmagnetic and gravitationalfields, ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: 689-i ] Borges, A. T. and Gilbert, J. K., Int. Journal of Sci. Ed. 20 (3) (1998). Duit, R., ESERA Summer School, Braga, 2006, at Faraday, M., Experimental Researches in Electricity, London: Taylor and Francis (1955), Vol I, II, III. Fedele, B., Michelini, M., Stefanel, A. (2005) A. Five-ten years old pupils explore magnetic phenomena in Cognitive Laboratory (CLOE), ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: ] Galili, I. and Kaplan, D., Am. J. Phys. 65 (7) (1997). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Science Education, 8 (3) (2004). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Students ideas about source of magnetic field, II int. Esera Conf., pp (1999). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Enseñanza de las Ciencias, 21 (2) (2003). IPN Kiel, Die elektromagnetische Induktion (IPN Curriculum Physik ) Stuttgard, (1985). Maloney, D. P., O Kuma, T. L., Hieggelke, C.J. and Van Heuvelen, A., Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7), pp S12-S23(2001). Maxwell, J. C., A Treatise on Electricity and Magnetism,Dover Publications, INC (1954) Michelini M, The Learning Challenge: A Bridge Between Everyday Experience And Scientfìc Knowledge, in Informai Learning And Public Understanding Of Physics, G Planinsic and A Mohoric eds., Girep book of selected contributions, Ljubijana (SLO), 2006, p [ISBN ] Peters, P. C., Am. J. Phys. 52(3) (1984). Rainson, S. and Viennot, L., Int. J. Sci. Educ. 14(4), (1992). Salverberg, E. R., De Jong, T., Ferguson-Hassler, M. G., Am. J. Phys. 39 (10) (2002). Stefanel, A. (2008) Disciplinary knots and learning problems in electromagnetism, in Sidharth B.G., Honsell F., Sreenivasan K., De Angelis A. eds, Frontiers of Fundamental and Computational Physics, 9th International Symposium, American Institute of Physics, Melville, New York, Tornkwist, S., Pettersson, K. A. and Transtromer, G., Am. J. Phys. 61(4) (1993). Thong, W. M. and Gunstone, R., Res. Sci. Educ. 38, (2008).