Un percorso per formare al ragionamento fisico nella fenomenologia elettrostatica

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1 Un percorso per formare al ragionamento fisico nella fenomenologia elettrostatica Alessandra Mossenta

2 Indagini sui problemi di apprendimento Processi di elettrizzazione e trasmissione dell interazione elettrica - induzione Modelli interpretativi usati Furió, Guisasola & Almudì, 2004 Difficoltà legate al linguaggio Harrington, 1999 Trasferimento di carica Comprensione del trasferimento di carica tra conduttori solo se carichi in modo opposto, fino alla neutralizzazione di uno di essi; utilizzo del concetto di forza tra cariche solo con parte di esse Guruswamy, Somers & Hussey, 1997 Causa del movimento: differenza tra il numero di elettroni, interscambiata con la differenza di potenziale Barbas e Psillos, 1997 Campo elettrico Modelli interpretativi usati (azione a distanza anziché campo ) Furió & Guisasola 1998 Difficoltà legate alla rappresentazione vettoriale linee di campo come entità isolate nello spazio Euclideo anziché come insieme di curv che rappresentano una proprietà vettoriale di quello spazio Törnkvist, Pettersson & Tranströmer 1993 Comprensione della sovrapposizione dei campi Campo solo se mobilità; causa nella formula Rainson, Tranströmer & Viennot, 1994, Viennot & Rainson, 1999 Rassegna generale Distribuzione di carica su conduttori e isolanti, applicazione delle leggi di Newton rapporto carica campo potenziale Maloney, O Kuma, Hieggelke, Van Heuvelen, 2001; M. Planinic, 2006

3 Difficoltà di apprendimento: un caso Furió, Guisasola & Almudì, 2004 Rispetto ai fenomeni di elettrizzazione per strofinio e di induzione le idee degli studenti (secondari e universitari) si possono raggruppare in 4 categorie: Creazioniste (pochi studenti): l elettricità appare nei corpi quando sono strofinati. Le cariche appaiono quando i dielettrici (plastica) sono strofinati ma non quando lo sono i metalli. I fenomeni di induzione elettrica sono fraintesi. Effetto alone (pochi studenti): i corpi carichi attraggono ogni altro corpo vicino. L elettricità è considerata essere cariche che creano una atmosfera elettrica. Fluido elettrico (la maggior parte degli studenti): l elettricità è considerata come un fluido che passa da un corpo all altro attraverso lo strofinio, il fluido passa sui dielettrici (come la plastica) ma non va sui metalli. Tuttavia, attraverso il contatto, il fluido passa sui conduttori (metalli) e non può andare attraverso i dielettrici. Le interazioni elettriche avvengono per contatto quando un fluido passa da un corpo ad un altro. Newtoniano (pochi studenti secondari, una minoranza di universitari): l elettricità è considerata come un gruppo di cariche che agisce a distanza. I fenomeni di induzione elettrica sono spiegati come risultanti da forze esercitate dalla carica del corpo carico sulle cariche separate, positive e negative, del corpo neutro.

4 Impostazione del percorso proposto Esplorazione di semplici fenomeni elettrici per riconoscere: Un cambio di stato dei sistemi a seguito di una preparazione: essi si caricano/si attivano La natura duale di tale proprietà: i sistemi interagiscono manifestando repulsione o attrazione a seconda della concordanza o discordanza tra tali proprietà Esplorazione di modalità di caricare per riconoscere che: Il processo di carica è un attivazione È dovuto a qualcosa che è già dentro al materiale Che si conserva ed è mobile Obiettivo: Costruzione del concetto di carica come esito di un percorso basato sulla fenomenologia macroscopica

5 Esp 1: Il nastro da lucido strappato da uguali superfici AZIONI/OSSERVAZIONI Due pezzi di nastro adesivo qualunque strappati da una stessa superficie, accostati e sospesi si allontanano Allontanamento/repulsione per ogni coppia strappata da un uguale superficie, anche di nastro Lo strappo ha cambiato lo stato dei pezzi di nastro: sono in grado di interagire La presenza della proprietà non dipende dalle caratteristiche morfologiche del nastro, dalla tipologia di superficie, da orientazioni reciproche

6 Esp 1: Interazione tra oggetti preparati/trattati allo stesso modo CONCLUSIONI o Comunque siano disposti, due nastri preparati nello stesso modo, attraverso un interazione con un terzo oggetto, si allontanano tra loro: sono in grado di interagire, hanno acquisito una proprietà (di allontanare e essere allontanati) che non avevano in precedenza o Preparati nello stesso modo, sono nello stesso stato

7 Esp 2a: Il nastro da lucido strappato in condizioni diverse AZIONI/OSSERVAZIONI Pezzi di nastro adesivo strappati da superfici diverse accostati ad uno stesso nastro e sospesi manifestano ora avvicinamento ora allontanamento Due qualunque pezzi che si allontanano dal nastro di riferimento, o due che gli si avvicinano, accostati tra loro si allontanano Un qualunque pezzo di una tipologia accostato a un qualunque pezzo dell altra tipologia gli si avvicina Vi sono due possibilità di interazione, che si manifestano con allontanamento o avvicinamento: in questo caso lo stato dei due nastri accostati non è lo stesso Tutti i pezzi di nastro con uguale comportamento se avvicinati al nastro campione sono nello stesso stato: i nastri si possono suddividere in 2 classi, una con lo stesso stato del nastro-campione, una con un diverso stato La scelta del nastro-campione è irrilevante: ogni elemento di una classe è in uno stato diverso da ogni elemento dell altra

8 Esperienza 2b: Due nastri da lucido strappati tra loro AZIONI/OSSERVAZIONI I due elementi coinvolti nello Due pezzi di nastro strappo non sono nello stesso sovrapposti l uno sull altro stato come nel rotolo, strappati e accostati si avvicinano

9 Esp 2: Interazione tra oggetti trattati strappando CONCLUSIONI o L azione di strappare modifica sempre lo stato degli oggetti preparati in tal modo, ma la modifica può essere di duplice natura, rivelata dagli effetti: si osserva tanto la capacità di allontanarsi/respingersi che quella di avvicinarsi/attrarsi, a seconda della concordanza o meno della natura dello stato degli oggetti interagenti. o L avvicinamento indica stati non uguali o I nastri possono assumere ciascuno dei due stati, evidenziati da due tipologie di interazione o Due nastri strappati tra loro non sono nello stesso stato

10 Esp 1 e 2b a confronto: preparazioni diverse per stati diversi CONFRONTO ESP. 2b: Interazione tra un nastro strappato da una superficie di nastro e la superficie di nastro stessa ESP. 1: Interazione tra due nastri strappati entrambi da una superficie di nastro Nastri indicatori strappati tra loro, in stati diversi

11 Esp 3: Confronto tra pezzi di nastro adesivo da coppie AZIONE/OSSERVAZIONE Due pezzi sovrapposti e strappati avvicinati all indicatore: pezzi con la stessa disposizione si allontanano, con disposizione diversa si avvicinano Entrambi i pezzi coinvolti nello strappo cambiano di stato La disposizione dei nastri prima dello strappo determina lo stato: disposizioni diverse danno luogo ad attrazione, indicazione di due diverse tipologie di attivazione

12 Esp3: Confronto tra pezzi di nastro adesivo a coppie CONCLUSIONI Vi sono due stati possibili per oggetti strappati e l interazione tra stati uguali si manifesta come repulsione, tra stati diversi come attrazione Oggetti preparati tra loro sono in stati diversi

13 Esp 4.1: Altri oggetti e altri modi di agire AZIONI/OSSERVAZIONI Due cannucce accostate sopra un binario, anche dopo che una di esse viene strofinata, non interagiscono Due cannucce strofinate e quindi accostate su un binario si respingono Due cannucce strofinate e quindi accostate al nastro indicatore producono attrazione con uno e repulsione con l altro nastro, come in uno dei casi precedenti Nessuna interazione ha luogo se entrambi gli oggetti non sono stati attivati mediante preparazione opportuna La stessa preparazione conduce ad un effetto di repulsione anche nel caso dello strofinio Lo stato delle cannucce è uguale per entrambe e lo stesso di uno dei due pezzi di nastro

14 Esp 4.2: Altri oggetti e altri modi di agire AZIONE/OSSERVAZIONE Oggetti diversi strofinati su superfici diverse accostati al nastro indicatore fanno allontanare uno dei due nastri e avvicinare l altro Buste dei grissini strofinate: comportamento analogo a quello del nastro da lucido Lo strofinio è un metodo per portare gli oggetti in uno stato che produce interazione, attrattiva o repulsiva Tutti gli oggetti possono essere messi in grado di attrarre o respingere, attraverso strofinio, secondo che lo stato è diverso o uguale rispetto a quello dell oggetto con cui interagiscono

15 Esp 4.3: Le coppie di oggetti strofinati AZIONE/OSSERVAZIONE Cannuccia e stoffa con cui è stata strofinata: si avvicinano tra loro e muovono in verso opposto e ugual misura i nastri indicatori I due oggetti coinvolti nello strofinio sono in stati diversi

16 Esp 4.4: Le coppie di nastri strappati AZIONE/OSSERVAZIONE Nastri strappati tra loro e avvicinati: l interazione dipende dalla distanza e dall intensità dello stato Nastri avvicinati fino a tornare in contatto: nessuna interazione L interazione avviene senza contatto, in misura maggiore al diminuire della distanza, con intensità dipendente dalla qualità della preparazione (tipo di superficie da cui avviene lo strappo ), centralmente Due oggetti che si attivano reciprocamente, se riuniti perdono nuovamente la proprietà, che si può collegare alla separazione

17 Esp 4: Osservare altri oggetti CONCLUSIONE Gli oggetti si possono elettrizzare strofinandoli, e acquisiscono una proprietà chiamata carica elettrica che può essere di due tipi e si manifesta come attrazione o repulsione (tra cariche omologhe) I due oggetti coinvolti nello strofinio assumono stati diversi Lo strofinio equivale allo strappo

18 Esp 5: Le cannucce a contatto AZIONE/OSSERVAZIONE Due cannucce accostate dopo che una, strofinata, è stata messa a contatto con l altra si allontanano Anche il contatto con un oggetto attivato è un modo per attivare Lo stato dei due oggetti a contatto è lo stesso

19 Esp 5: Le cannucce a contatto CONCLUSIONI La proprietà si trasmette spontaneamente da un corpo all altro con un contatto, senza azione esterna come nel caso dello strofinio

20 Esp 6: La lattina conduttrice vicina alla barra elettrizzata AZIONI/OSSERVAZIONI Avvicinando una barra strofinata alla lattina si sollevano i fili di alluminio opposti alla barra, indicando repulsione tra oggetti nello stesso stato Allontanando la barra strofinata dalla lattina i fili si abbassano Un effetto di elettrizzazione si può ottenere senza strofinio né contatto, ma semplicemente avvicinando un oggetto elettrizzato: influenza a distanza Nulla è stato trasferito al corpo che manifesta nelle sue parti uno stato di elettrizzazione dello stesso tipo, determinata dalla vicinanza dell oggetto elettrizzato

21 Esp 6: La lattina conduttrice a contatto con la barra elettrizzata AZIONE/OSSERVAZIONE Al contatto (o quasi ) tra barra e lattina all estremità opposta rispetto ai fili si sollevano i fili di alluminio opposti alla barra, indicando repulsione tra oggetti nello stesso stato La carica trasferita per contatto si trasferisce all estremità opposta della lattina: la carica può muoversi all interno della lattina

22 Esp 6: La lattina conduttrice AZIONE/OSSERVAZIONE Avvicinando una barra strofinata alla lattina si sollevano i fili di alluminio opposti alla barra, indicando repulsione tra oggetti nello stesso stato La carica è presente dentro la lattina indipendentemente dall intervento esterno L oggetto carico ha agito a distanza: l elettrizzazione di parti della lattina si deve allo sbilanciamento tra cariche di un tipo e dell alto, risultato dell azione sulle cariche nella lattina da parte di quelle esterne

23 Esp 6: La lattina conduttrice CONCLUSIONI I corpi sono dotati di elementi interni - carica- che interagiscono elettricamente La possibilità di muoversi all interno dei metalli determina una distribuzione di carica localmente sbilanciata che evidenzia la sua presenza I corpi neutri bilanciano attrazioni con repulsioni

24 Il trasferimento di carica e l induzione: pendolino metallico SVILUPPO Pendolino metallico all estremità della lattina carica: attrazione, contatto, repulsione istantanea: induzione e contatto, con trasferimento veloce di carica

25 Il trasferimento di carica e la polarizzazione: il pendolino dielettrico SVILUPPO Pendolino dielettrico all estremità della lattina: attrazione, contatto, repulsione ritardata: polarizzazione e contatto, con trasferimento lento di carica

26 Induzione, polarizzazione e trasferimento di carica CONCLUSIONI Negli isolanti vi sono gli stessi elementi che nei metalli, e subiscono le stesse forze: le intensità sono minori e le velocità basse

27 Disposizione della carica su un conduttore: gabbia di Faraday AZIONE/OSSERVAZIONE Su un conduttore a contatto con una cannuccia strofinata la carica trasferita si dispone secondo quanto indicato dalle striscioline di metallo sul suo corpo: chiudendo il conduttore su sé stesso, all interno si abbassano e all esterno si alzano La carica si dispone sulla superficie esterna di un conduttore caricato

28 L elettroscopio -1 AZIONI/OSSERVAZIONI Avvicinata la cannuccia strofinata le foglioline divergono, allontanata si chiudono Dopo un contatto della cannuccia le foglioline divergono permanentemente Divergono maggiormente se la cannuccia viene avvicinata ancora Una disposizione diversa degli elementi interni determinata dalla cannuccia produce lo stesso stato sulle foglioline a pari distanza dalla cannuccia Il contatto trasferisce elementi attivanti che si distribuiscono lungo tutto il metallo I due effetti si sommano

29 L elettroscopio - 2 AZIONI/OSSERVAZIONI Toccando la punta dell asta con le foglioline divergenti a cannuccia lontana, esse si chiudono Toccando la punta a cannuccia vicina, le foglioline si chiudono ma divergono nuovamente allontanandola Avvicinando la cannuccia la divergenza diminuisce Il contatto produce un trasferimento di elementi attivanti fino all assenza di interazione tra foglioline Il trasferimento per contatto fino ad impedire l interazione determina uno stato di attivazione distribuito fino ad annullare l interazione anche con la cannuccia ed emerge in assenza di quest ultima La tipologia di carica sulle foglie ora è opposta: il trasferimento avviene secondo le condizioni in cui si trova il conduttore

30 Un modo diverso di guardare all interazione: gli oggetti carichi modificano lo spazio che li circonda Campo Nello spazio tra due oggetti metallici caricati oggetti leggeri (talco) si muovono e si dispongono lungo direzioni precise Ove si trovano le scagliette di talco si ha un influenza prodotta dalla carica presente sugli elettrodi

31 Trasferimento di carica AZIONI/OSSERVAZIONI Sfere di La carica si dimensioni diverse trasferisce a contatto con la parzialmente da gruccia strofinata un isolante a un e tra loro: caso 1 metallo per Gruccia strofinata contatto a contatto con la La carica si sfera di diametro trasferisce maggiore, in dimezzandosi da seguito a contatto un oggetto con una sfera metallico ad un uguale altro uguale

32 Conservazione della carica AZIONI/OSSERVAZIONI Sfere di diverse dimensioni, cariche e scariche, a contatto La carica totale prima del contatto è sempre pari alla somma delle cariche presenti dopo il contatto

33 AZIONI/OSSERVAZIONI Due sfere uguali una carica e una no a contatto Due sfere uguali cariche in modo diverso a contatto Passaggio di carica tra sfere di uguali dimensioni La carica si divide a metà La carica passa da dove è in misura maggiore a dove è in misura minore Si ha passaggio di carica su oggetti uguali quando non ve ne è la stessa quantità, fino ad averne una stessa quantità

34 Passaggio di carica tra sfere Due sfere uguali ugualmente cariche a contatto con due sfere scariche di dimensioni diverse di dimensioni diverse AZIONI/OSSERVAZIONI All equilibrio si ha carica maggiore nella sfera di raggio maggiore: vi sono due grandezze in gioco La carica si dispone in modo diverso, a seconda delle dimensioni della seconda sfera: maggiore il raggio, maggiore la carica trasferita

35 Due sfere di dimensioni diverse con cariche diverse a contatto tra loro Passaggio di carica tra sfere cariche diverse AZIONI/OSSERVAZIONI La carica sulla sfera di raggio e carica maggiore aumenta, a spese della carica minore sulla sfera di raggio minore Grandezza che governa il processo: POTENZIALE, dipendente dalla carica e dalle dimensioni, che determina il trasferimento di carica tra due oggetti se è diverso, fino ad annullare tale differenza

36 Sfere a contatto con un generatore di ddp Sfere di dimensioni diverse (piccola, media, grande) a contatto con potenziali da 1, 2, 3 kv Rapporto di proporzionalità diretta tra carica e potenziale Q/V = Capacità C dipende dal raggio (geometria)

37 Bibliografia Benseghir A. & Closet J.L., 1996, The electrostatics electrokinetics transition. Historical and educational difficulties, International Journal of Science Education, 18 (2) Eylon B. & Ganiel U., 1990, Macro micro relationship: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students reasoning, International Journal of Science Education, 12 (1) Borghes A. T. & Gilbert J.K., Models of magnetism, International Journal of Science Education, 20 (3) Barbas A., & Psillos D:, (1997) causal reasoning as a base for advancing a systemic approach to simple electrical circuits, Research in science education, 27 (3), Furió, C., Guisasola, J. & Almudì, J. M. (2004), Elementary electrostatic phenomena: historical hindrances and students difficulties Canadian Journal of Science, Mathematics and technology education Harrington, R. Discovering the reasoning behind the words: an example from electrostatics, Phys. Educ. Res., Am.J. Phys. Suppl. 67 (7) July 1999 Guruswamy, C., Somers, M. D. & Hussey, R. G., 1997, Students understanding of the transfer of charge betweeen conductors, Physics Education, 32 (2) 91 96) Furió, C., Guisasola, J. (1998), Difficulties in learning the concept of electric field, Science Education, Volume 82, Issue 4, (July 1998 Viennot L. & Rainson S.,1999, Design and evaluation of a research - based teaching sequence: the superposition of electric field, International Journal of Science Education, 21 (1) 1-16 S. Rainson G. Tranströmer L. Viennot Students understanding of superposition of electric fields Am. J. Phys. 62 (11) november Törnkvist S., Pettersson K. A., Tranströmer G., Confusion by representation: on student s comprehension of the electric field concept, Am. J. Phys. 61 (4), april 1993, M. Planinic Assessment of difficulties of some conceptual areas from elecricity and magnetism using the Conceptual Survey of Electricity and Magnetism Am. J. Phys. 74 (12) December Maloney D.P., O Kuma, T. L., Hieggelke, C. J., Van Heuvelen, A., surveying students conceptual knowledge of electricity and magnetism, Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7), July 2001 S12 S23