Introduzione alla didattica della fisica

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Antonina Conte
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1 Introduzione alla didattica della fisica Aurelio Agliolo Gallitto Dipartimento di Fisica e Chimica Università di Palermo

2 Testi consigliati A. B. Arons Guidaall'insegnamentodellafisica, Zanichelli (Bologna) 1992 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Fondamentidifisica.Meccanica, termologia, CEAVI Ed.(Milano) 2006 TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 2

3 Testi di approfondimento Focardi, Massa, Uguzzoni Fisica generale, CEA (1999) Allasia, Montel, Rinaudo La fisica per maestri, Cortina (2010) J. R. Taylor Introduzione all'analisi degli errori, Zanichelli II Ed. (1999) TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 3

4 Difficoltà concettuali e di ragionamento nello studio della meccanica (1) Lacune fondamentali nella preparazione di base Relazioni funzionali: grafici Per esempio: TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 4

5 Difficoltà concettuali e di ragionamento nello studio della meccanica (2) Relazioni tra lunghezza, area e volume Per esempio: fattore di scala 1:1.8 V 2 = (1.8) 3 V 1 TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 5

6 Cinematica (1) Eventi e istante di tempo Differenza tra posizione e spostamento Sistema di riferimento Posizioni della pallina Intervalli di tempo: differenza tra istanti di tempo successivi Spostamento: differenza tra posizioni successive TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 6

7 Cinematica (2) Descrizione delle leggi cinematiche con grafici [Arons, 1992] [Arons, 1992] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 7

8 Cinematica (3) Descrizione delle leggi cinematiche con grafici Relazione tra velocità e accelerazione: se v = 0 non necessariamente a = 0 v s a TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 8

9 Cinematica (4) Descrizione delle leggi cinematiche con grafici: corpo in caduta libera nelle varie condizioni iniziali e nei differenti sistemi di riferimento TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 9

10 Legge di inerzia: definizione qualitativa di FORZA Come definire l azione che fa cambiare il moto di un oggetto? Per rappresentare le caratteristiche delle azioni che si esercitano su un corpo da parte dell ambiente si introduce il concetto di FORZA. Le FORZE possono produrre sia effetti dinamici sia deformazioni Nota: questa legge afferma anche che se esiste un sistema di riferimento inerziale ne esistono infiniti e sono tutti e solo quelli che si muovono rispetto al primo di moto rettilineo uniforme TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 10

11 Dinamica: come misuriamo la forza Una molla sollecitata da una forza Fdi trazione si allunga, sollecitata da una forza di o compressione si accorcia. Se la molla non viene deformata oltre il limite di elasticità, cioèse la molla non viene allungata o compressa troppo, la deformazione xèproporzionale alla forza applicata [Serway, 2009] F x TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 11

12 La forza è un vettore [Serway, 2009] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 12

13 Composizione e scomposizione di vettori [Serway, 2009] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 13

14 Somma di vettori: regola del parallelogramma [Serway, 2009] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 14

15 Un altro esempio di grandezza vettoriale: il vettore spostamento [Serway, 2009] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 15

16 Apparato sperimentale per lo studio delle forze [Ragozzino, 2007] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 16

17 L'equilibrio delle forze: il paradosso del maggiordomo [Serway, 2009] TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 17

18 II legge della dinamica: definizione operativa di FORZA [Arons, 1992] Se a = costante, anche l allungamento della molla è costante. Allora, possiamo costruire una scala di forze. Nota: Vedere anche La fisica del PSSC su YouTube TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 18

19 II legge della dinamica: definizione operativa di FORZA Se a = costante, anche l allungamento della molla è costante. Costruiamo il grafico di F vs. a Dal grafico si vede la relazione di proporzionalitàtra Fe a Nota 1: Evitare la circolarità delle definizioni. Dal grafico si ottiene quindi la II legge della dinamica: F= m a Nota 2: i libri in cui la forza è considerata come un concetto primitivo che non necessita di una definizione operativa non sono didatticamente di aiuto per gli studenti. TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 19

20 Peso e massa Distinguere la MASSA dal PESO. p.e. La frase: << 3 kg peso si riferisce a un corpo su cui la terra esercita una forza di 3 x 9.8 = 29.4 N >> TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 20

21 Massa gravitazionale e massa inerziale La massa inerziale indica la "resistenza" che un corpo oppone alla variazione del suo stato di moto: se applichiamo una stessa forza a due corpi diversi, otteniamo differenti accelerazioni. Possiamo definire la massa inerziale come il rapporto: m = F/a La massa gravitazionale indica la "capacità" che hanno i corpi di attrarsi: la forza che si esercita tra i due corpi è direttamente proporzionale alle masse dei corpi ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (calcolata rispetto ai loro centri di massa) Qual èil legame fra i due tipi di massa? L'esperienza mostra che massa inerziale e massa gravitazionale sono legate. Fino ad ora èstato verificato che massa inerziale e massa gravitazionale coincidono (con grande precisione). Questo risultato non èovvio, tanto da rappresentare una nuova legge della natura, che Einstein chiamò principio di equivalenza. TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 21

22 III legge della dinamica Questa legge aggiunge un tassello fondamentale enon può essere ignorata! 1. Occorre fare attenzione alla enunciazione. La seguente: ad ogni azione corrisponde una reazione non viene spesso compresa dagli studenti!!! È meglio la seguente: se un corpo A esercita una forza su un corpo B, allora il corpo B eserciteràsul corpo A una forza uguale e opposta. 2. Forze vincolari: forze passive 3. Diagrammi di forza TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 22

23 Applicazioni delle leggi della meccanica (1) Significato di g Il simbolo g viene considerato una forza Non ha alcun collegamento con l accelerazione a Il concetto di vuoto e l esperimento con la piuma e il sassolino Esperimento molto istruttivo per comprendere il ruolo della forza di gravità e il ruolo dell aria nei problemi di corpi in caduta libera TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 23

24 Applicazioni delle leggi della meccanica (2) Massa e peso: forza peso e forza di contatto Quando teniamo un oggetto sollevato, non sentiamo il peso del corpo ma sentiamo la forza di contatto che il corpo esercita su di noi. Sebbene queste due forza abbiano la stessa intensità, esse sono forze differenti (v. figura sopra). TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 24

25 Applicazioni delle leggi della meccanica (3) La macchina di Atwood: esperimenti con pesi uguali ma forma differente TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 25

26 Applicazioni delle leggi della meccanica (4) Corde e tensione: corde con massa Definizione di Tensione della fune La tensione èl intensitàdella forza che si esercita su entrambi i segmenti di fune nella stessa direzione della tangente alla fune nel punto considerato. Per questo motivo, la tensione è una grandezza scalare! Corde e tensione: corde prive di massa TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 26

27 Problemi di linguaggio Esempio 1. L affermazione: la forza fa muovere un corpo tende a rafforzare il concetto aristotelico di moto! Meglio dire: la forza fa accelerare un corpo Esempio 2. L affermazione: la forza vince l inerzia del corpo induce negli studenti l idea che l inerzia sia una forza! Esempio 3. Distinguere tra forze impulsive e forze che agiscono continuamente. TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 27

28 Sitografia YouTube-La fisicadel PSSC: Sistemi di riferimento YouTube-La fisicadel PSSC: Inerzia e moto (I parte) YouTube-La fisicadel PSSC: Inerzia e moto (II parte) YouTube-Open courses at MIT: Lezioni di meccanica del prof. Walter Lewin YouTube Education MIT Tech TV: techtv.mit.edu Software di analisi (gratuito) scidavis.sourceforge.net TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 28

29 Bibliografia Allasia, Montel, Rinaudo (2010) La fisica per maestri, Cortina A. B. Arons (1992) Guida all'insegnamento della fisica, Zanichelli D. Halliday, R. Resnick, J. Walker (2006) Fondamenti di fisica. Meccanica, termologia, CEA VI Ed. E. Ragozzino (2007) Principi di fisica, EdiSES R. A. Serway, R. J. Beichner (2009) Fisica, EdiSES J. R. Taylor (1999) Introduzione all'analisi degli errori, Zanichelli II Ed TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 29

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