Discipline e competenze

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1 Discipline e competenze

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3 Sensate esperienze Riflessioni per insegnare la fisica attraverso una didattica laboratoriale 8 Aprile 2014 Relatore: Gianpaolo Parodi

4 I principi della dinamica e la spiegazione del moto Riflessioni e proposte di lavoro

5 Didattica laboratoriale: un attività didattica basata su: - osservazione dei fenomeni - ricerca di spiegazioni basate sui concetti della fisica - discussione con e tra gli studenti

6 Obiettivo: comprendere la fisica Realizzare con gli studenti attività sperimentali semplici. Stimolare le loro osservazioni, prima di fornire la risposta «esatta». Cercare le spiegazioni fisiche di situazioni tratte dalla vita quotidiana e discuterle.

7 Concetti fisici e spiegazioni scientifiche Analogia Concetti = strumenti di lavoro Spiegazione = costruzione di un manufatto

8 Oggi non parleremo di: Teorie Equazioni del moto Formule, dimostrazioni Formalizzazione di problemi e problem solving

9 Il problema: spiegare il moto Obiettivo Costruire spiegazioni dei fenomeni quotidiani condivise dagli studenti. Modificare la loro visione del mondo fisico utilizzando i concetti fisici. La soluzione di problemi quantitativi viene dopo.

10 Spiegare i moti intorno a noi ovvero la meccanica fuori dalla scuola Sei su un auto sportiva in partenza. Che cosa senti? L auto frena improvvisamente. Che ti succede? Come lo spieghi? L autobus frena, oppure percorre una curva veloce. Che ti succede? L ascensore parte (sale o scende). Che cosa senti? Che cosa segnerebbe una bilancia sotto i tuoi piedi nelle due fasi di inizio salita e inizio discesa?

11 La fisica in auto

12 La fisica in ascensore: se un ascensore cadesse in caduta libera, che cosa succederebbe ad un oggetto lasciato libero al suo interno?

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14 Fisica newtoniana vs fisica aristotelica: un paradigma più efficace Spiegazione aristotelica più intuitiva e immediata, ma non sempre funziona bene: una freccia, un sasso lanciati.. La fisica galileiana spiega meglio i fenomeni, ne spiega un maggior numero con una sola ipotesi, l inerzia e il nuovo ruolo della forza.

15 Che cosa mantiene una freccia in volo?

16 Problema Molti studenti mantengono una visione ingenua di tipo aristotelico su molti fenomeni naturali anche molto tempo dopo l apprendimento formale dei principi della dinamica newtoniana quindi... come si modifica questa visione?

17 Principio di inerzia Esempi di moti su piani orizzontali: - un libro su un tavolo, - una bicicletta su una strada, - una barca su un lago, - Il curling Perché prima o poi si interrompono?

18 Fisica e sport: il curling

19 «Sperimentare» l inerzia Proviamo a lanciare (e ricevere) palloni di massa diversa stando su pattini a rotelle. Che succede se proviamo a fermare un pattinatore sul ghiaccio? Mettere in movimento (o rallentare) una bicicletta con sopra una persona.

20 Fisica sul ghiaccio

21 L inerzia in mare Perché è così difficile rallentare o frenare in poco tempo il moto di una nave che si avvicina alla banchina di un porto?

22 La fisica in mare

23 Il principio di relatività galileiano: chi si muove «veramente»? Un treno parte vicino a un altro treno fermo in una stazione. Due navi da crociera si incontrano in alto mare. Galileo e il principio di relatività...

24 La fisica in treno: chi si muove?

25 Immaginare e riflettere Su un aereo in volo ad alta quota si può versare da bere, bere, mangiare, camminare, giocare a palla come a terra? La velocità dell aereo è importante? Rinunciare all idea di moto assoluto, sgradevole, «destabilizzante» per gli studenti?

26 Fisica in volo

27 La ricerca delle cause del moto Studiare la partenza di biciclette, auto da corsa, autobus, aerei, razzi ecc. e coinvolgere gli studenti nella ricerca della spiegazione della causa del moto (e della sua cessazione), ovvero la ricerca delle «forze». Utili quesiti finali (vedi fine presentazione).

28 Proposte di attività sperimentali Per studiare moti accelerati si può costruire una macchina di Atwood con una piccola puleggia di circa 4/ 5 cm di diametro, fissarla ad una parete in verticale e usare filo da pesca, contenitori cilindrici per pastiglie (vuoti o riempiti con piccoli oggetti, per esempio piccole sfere di vetro o riso o sabbia).

29 Macchina di Atwood con pesi di massa uguale posti ad altezze diverse

30 Macchina di Atwood con pesi di massa uguale: si portano alla stessa altezza?

31 Che cosa succede se si imprime una piccola spinta a uno dei due? e che cosa cambia se invece le masse contenute nei due tubetti sono differenti?

32 Macchina di Atwood con pesi di massa diversa: ma posti alla stessa altezza: che succede?

33 Il terzo principio della dinamica Attività di tipo puramente osservativo, che hanno l obiettivo di condurre gli studenti a schematizzare correttamente e a rappresentare graficamente tutte le forze ( di azione e di reazione ) in gioco.

34 Barchette magnetiche : in una bacinella contenente dell acqua si fanno galleggiare due tavolette di sughero o di polistirolo, collegate ai bordi opposti della bacinella attraverso due fili molto sottili (si devono spezzare facilmente) e sopra alle tavolette si fissano due magneti di diversa massa.

35 Quale dei due fili si spezzerà per primo? Molti studenti attribuiscono forza maggiore alla calamita più grande, basandosi sull esperienza dell avvicinamento della calamita ad una superficie di ferro.

36 Filari di anellini magnetici infilzati su uno stecchino in modo che rimangano attaccati. Successivamente si cambia l orientamento in modo che qualche magnete rimanga sospeso in aria.

37 Esperienza con anelli magnetici

38 Domanda (prima): quanto pesa la bacchetta con i magneti infilzati nelle due configurazioni? Interpretare la lettura della bilancia come forza normale, cioè come reazione alle forze esercitate dai corpi sovrastanti il piatto, in direzione perpendicolare allo stesso.

39 Variante Porre un bicchiere con dell acqua sulla bilancia e chiedere se metto il mio dito nell acqua senza toccare il fondo del bicchiere che cosa leggo sulla bilancia? Il peso rimane lo stesso? Raccogliere le risposte e le motivazioni, prima di mostrare sperimentalmente che il peso aumenta.

40 Quanto pesa un dito?

41 Quale significato attribuire alla differenza di peso? Discussione. Necessità di disegnare il diagramma delle forze e di riflettere sul significato di peso letto sulla bilancia come forza normale. Rivedere anche il principio di Archimede.

42 Come avviene il moto di un proiettile? «Il proiettile avanza nell aria e, dopo un po... esaurita la forza impressa... cade». [Studente terza liceo scientifico qualche tempo dopo la lezione] Concezioni di fisica naturale o ingenua (tipo teoria aristotelica o teoria dell impeto), precedenti agli studi scolastici, persistono e orientano le argomentazioni degli studenti e la loro visione del mondo anche dopo aver seguito lezioni di fisica sull argomento.

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44 Attività su inerzia e moto dei proiettili Prove sperimentali con palline da giocoleria. 1. Si lancia in aria una pallina stando fermi 2. Si lancia la pallina mentre si cammina a velocità costante. 3. Possibile utilizzare uno skateboard. (In questo caso gli studenti sperimentatori devono essere almeno due, uno effettua i lanci della pallina, mentre l altro spinge lo skateboard).

45 Gioco- esperimento

46 Che cosa succede se..? Chiedere sempre prima agli studenti «che cosa succede se»: - lascio cadere a terra la pallina (da fermo e successivamente in movimento)? - lancio la pallina in alto, in verticale? Chiedere di formulare ipotesi sulla traiettoria e sul punto di caduta.

47 Verificare la traiettoria parabolica Semplice apparato sperimentale che comprenda: - una guida inclinata posta su un tavolo (di lunghezza maggiore della guida), - un asse di legno di lunghezza pari all altezza del tavolo, fissata a due sostegni verticali e delle sfere di acciaio o di vetro.

48 Il volo della sfera viene bloccato dall asse a una quota che dipende dalla distanza dal tavolo in cui esso è stato posizionato. Ripetendo diverse volte l esperimento si possono ottenere diversi punti, che permettono di costruire il grafico di una parabola. Ascissa = distanza del punto dal tavolo ordinata = altezza da terra rilevata sull asse

49 Ulteriori quesiti agli studenti Come variano la velocità, l accelerazione e la forza applicate ad un proiettile, lanciato orizzontalmente, nelle varie fasi del moto? Spesso gli studenti confondono forza ed accelerazione o velocità ed accelerazione.

50 1. Un sasso cade nell acqua. Se il suo moto nell acqua è rettilineo uniforme, quali forze agiscono sul sasso nell acqua? Quale è la loro risultante [Principio di inerzia... risultante delle forze.. forza peso... forza di attrito dovuta alla resistenza dell acqua]. 2. Un ragazzo sulla banchina di una stazione e un altro su un treno in transito in moto rettilineo uniforme osservano la caduta di un oggetto dal treno. Osservano la stessa traiettoria? Misurano la stessa velocità di impatto con il terreno? La stessa accelerazione di caduta?

51 3. È più faticoso spingere un auto sulla Terra o sulla Luna? [La fatica è la stessa, la massa inerziale non cambia da pianeta a pianeta e quindi, per il secondo principio] 4. Perché l elica non serve su un astronave al di fuori dell atmosfera terrestre? Funzionano nello spazio i motori a reazione? 5. Mi trovo a galleggiare in un astronave nelle spazio lontano dalla Terra e da ogni altro corpo celeste. Quant è il mio peso? Che mi succederebbe se l astronave accendesse i motori e partisse in una determinata direzione con accelerazione costante uguale a g?

52 6. Ti trovi su un auto in curva. Quale corpo fornisce la forza centripeta che mantiene il tuo corpo nella traiettoria circolare? E quale corpo fornisce la forza centripeta all auto? E perché un auto sbanda in curva su una strada ghiacciata? 7. Immagina di trovarti all interno di un proiettile sigillato (abbastanza grande per contenerti, ma dal quale non puoi guardare fuori) lanciato sulla superficie terrestre e di poter fare esperimenti su oggetti tenuti in mano o lasciati cadere. Che cosa succederebbe per esempio a una pallina lasciata cadere? E all acqua rovesciata da un bicchiere o da una bottiglia?

53 8. Perché un saltatore in lungo deve essere un buon velocista? 9. Perché un motociclista che fa il giro della morte non cade? 10. Che cosa succede a un corpo appeso a una fune che oscilla (un pendolo) se tagliate la fune? a. Nel punto di massima altezza. b. Nel punto più basso.

54 Informazioni utili Gli attestati di partecipazione vi saranno inviati via Riceverete inoltre un contenente le istruzioni per scaricare, dal sito Pearson, i materiali presentati oggi

55 Prossimi appuntamenti: Didattica Inclusiva 29 aprile Investigare la realtà. L'approccio Inquiry-based nell'insegnamento delle scienze Relatore Barbara Scapellato

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57 Grazie per la partecipazione!