Prodotto realizzato con il contributo della Regione Toscana nell'ambito dell'azione regionale di sistema Laboratori del Sapere Scientifico
ELETTROSTATICA UN NUOVO APPROCCIO PER I RAGAZZI Classe quarta liceo scientifico
COLLOCAZIONE DEL PERCORSO NEL CURRICOLO VERTICALE Il percorso è stato pensato nella parte finale della classe quarta del Liceo Scientifico, come introduzione ai fenomeni di elettrostatica. Le Indicazioni nazionali per il liceo scientifico prevedono l introduzione di argomenti di fisica «moderna» nella classe quinta, anche in vista della seconda prova dell esame di stato. E stato dunque necessario anticipare alla classe quarta alcuni argomenti quali l elettrostatica, il campo elettrico e il potenziale elettrico (come peraltro previsto dalle Indicazioni stesse). Si tratta di concetti piuttosto elaborati dal punti di vista teorico, con una base matematica complessa. Abbiamo pensato che presentarli in maniera sperimentale, riflettendo sui fenomeni che si osservano in questo campo potesse fornire un approccio più proficuo. Come prerequisiti riteniamo sia necessario aver affrontato il modulo di gravitazione avendo già anticipato alcune riflessioni su azione a distanza e campo di forza. Il percorso è stato svolto da tre colleghi diversi in tre sezioni differenti.
OBIETTIVI ESSENZIALI DI APPRENDIMENTO I vari metodi per elettrizzare i corpi: strofinio, contatto e induzione. Differenze e analogie. Da questa pratica ricavare l idea che esistono due tipi di carica. Differenze fra i materiali rispetto al comportamento delle cariche. L interazione elettrica: caratteristiche di questa «nuova» forza. L azione a distanza dell interazione elettrica: il campo attraverso la sua rappresentazione con linee di campo. Esistenza «fisica» delle linee e loro visualizzazione. L utilizzo delle cariche per produrre «movimento» attraverso la costruzione diretta di un motorino elettrostatico.
APPROCCIO METODOLOGICO Abbiamo cominciato con la presentazione dei fenomeni da parte dell insegnante senza fornire spiegazioni, in modo da suscitare domande e discussioni. Abbiamo utilizzato l elettroscopio senza spiegarne il funzionamento, per tentare di stimolare un atteggiamento attivo da parte degli alunni. Sono loro che posti di fronte a certi fenomeni si devono porre le domande e dare le risposte. Solo dopo una discussione in classe (anche con l ausilio del libro di testo) abbiamo portato gli alunni in laboratorio perché lavorassero autonomamente, seguendo una scheda guidata (che avrebbe poi costituito anche la verifica dei concetti acquisiti). Abbiamo analizzato in maniera approfondita a questo punto anche quanto scritto nel libro di testo; il libro deve fornire, in questo caso, una risistemazione organica di quanto verificato sperimentalmente. Abbiamo poi affrontato alcune esperienze più complesse, che coinvolgevano più fenomeni, tentando anche in questo caso una spiegazione sulla base di quanto visto precedentemente. Infine, si è provato a stimolare la curiosità e a sviluppare le capacità pratiche (così poco al centro dell attenzione in un liceo!) con la costruzione di un motorino elettrico che sfrutta le proprietà viste in precedenza.
MATERIALI, APPARECCHI UTILIZZATI Abbiamo cercato di utilizzare per lo più materiale di facile reperimento, materiale cioè di tutti i giorni che può essere trovato in ogni casa: stoffe varie, PVC, vetro, plexiglass, teflon, barattoli, filo di ferro, foglio di alluminio alimentare, palloncini, polistirolo, provetta in vetro, bottiglie in plastica, asta in metallo, acqua saponata, cannuccia per fare bolle e altro (il dettaglio dei materiali si trova nelle slides al momento del loro utilizzo negli esperimenti) Unica eccezione il generatore di Wimshurst, che abbiamo a disposizione nel nostro laboratorio di fisica. In particolare, fin da subito abbiamo invitato i ragazzi a costruirsi un elettroscopio come strumento principale per indagare la condizione dei corpi rispetto alle cariche elettriche.
AMBIENTI IN CUI IL PERCORSO SI È SVILUPPATO Avendo scelto un percorso che parte dalle esperienze, il luogo principale è stato il laboratorio di fisica, dove l uso dei banchi di lavoro e il lavoro in gruppi ha permesso il costituirsi di relazioni differenti, e più produttive, per un lavoro sperimentale in cui spesso la strada non è segnata e lineare ma soggetta a ripensamenti e percorsi circolari. Alcune lezioni di carattere teorico sono state svolte in aula, in maniera frontale, anche con l uso del libro di testo. Alcune esperienze condotte dall insegnante posso essere svolte anche in aula, anche al fine di svincolare l aula dal classico approccio e coinvolgere maggiormente i discenti. Gli alunni hanno anche lavorato in maniera autonoma a casa. Speriamo inoltre che l utilizzo di oggetti di uso quotidiano abbia in taluni stimolato l osservazione del mondo, cercando di sviluppare l idea che la fisica è intorno a noi e il suo oggetto è il mondo che ci circonda e i suoi fenomeni.
TEMPO IMPIEGATO Per la messa a punto del percorso dobbiamo distinguere due tipi di impegni. Un primo impegno di carattere generale, relativo al tipo di approccio e all impostazione di un lavoro sperimentale è stato dilatato per tutto il triennio di LSS, essendo stato oggetto anche di incontri con formatori esterni. In questi incontri del gruppo di lavoro non era al centro della discussione questo percorso in maniera specifica. Tempo circa 10 ore. Il secondo tipo di impegno, invece, è quello che ha coinvolto questo tipo di percorso specifico, in particolare, per adattarlo alla specifica classe. Si tratta di un approccio più volte tentato anche nel passato ma senza l organicità con la quale abbiamo proceduto in questo caso. Tempo circa 4 ore di riunioni, più altre 8 ore da parte di ciascun insegnante per la preparazione delle esperienze Tempo scuola: tre ore in laboratorio per eseguire gli esperimenti e ragionare sui dati che emergevano. Tre ore in classe su rielaborazione teorica (con uso del libro di testo) e discussione sulle possibili spiegazioni dei fenomeni visti ed elaborati precedentemente. Due ore per la parte finale del percorso da parte dei ragazzi, con lo svolgimento della scheda conclusiva. La documentazione del percorso da parte degli insegnanti coinvolti è stata senza dubbio la parte più onerosa svolta in quattro incontri fra i tre insegnanti che hanno sviluppato il percorso nelle proprie classi (otto ore) e in circa dieci ore di lavoro singolo dedicato alle foto degli apparati, alla raccolta dei materiali prodotti dagli alunni, alla compilazione della presentazione.
Esperienze di fisica Esperienze di fisica Esperienze di fisica BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA J. WALKER, Dalla meccanica alla fisica moderna, volume 2, Linx (libro di testo) J. C. SIDDONS, Esperienze di fisica, AIF, Quaderni n. 15, 2004 A. D. MOORE, L elettricità statica. Zanichelli, 1970. http://madscientist.altervista.org/elettr/elettrost/motelettrost/motelettrost.htm
INTRODUZIONE ALL ELETTROSTATICA Presentazione in classe/laboratorio dei fenomeni legati all elettrostatica facendo uso di un elettroscopio e materiali vari (stoffe varie, PVC, vetro, plexiglass, teflon, ) senza la spiegazione del funzionamento dell elettroscopio.
Abbiamo strofinato con stoffe i vari materiali e mostrato agli alunni i classici esperimenti di elettrostatica : Attrazione di piccoli pezzi di carta Interazione tra corpo elettrizzato e elettroscopio (l elettroscopio è visto come uno strumento in grado di mostrare una proprietà del corpo strofinato) Interazione con gli altri oggetti strofinati Differenze nel comportamento tra conduttori e isolanti Da questi esperimenti si fa strada la dipendenza della forza dalla distanza Questi esperimenti sono stati condotti dal docente aprendo una discussione con gli alunni.
Abbiamo quindi iniziato lo studio della teoria relativamente a quanto visto, col supporto del libro di testo, cercando di dare interpretazione agli esperimenti visti. Abbiamo invitato gli alunni a costruire un elettroscopio con materiale povero (barattolo, filo di ferro, foglio di alluminio alimentare ecc ) e sperimentare a casa quanto visto a scuola. Abbiamo dato meno indicazioni possibile, in modo che gli alunni escogitassero autonomamente approcci e soluzioni al problema. Un elettroscopio autocostruito
Quindi li abbiamo portati in laboratorio, divisi in gruppi. Abbiamo messo a loro disposizione materiali vari e assegnato una scheda di lavoro con attività da svolgere e domande a cui rispondere per mezzo di esperimenti. I vari gruppi sono stati lasciati liberi di sperimentare come volevano. Dopo una prima fase in cui gli studenti hanno fatto prove curiosando anche un po' a caso, sono partiti con gli esperimenti richiesti. Le slides seguenti illustrano le domande contenute nella scheda, alcune risposte dei ragazzi e alcuni commenti sulle difficoltà incontrate dai gruppi di lavoro da parte dei docenti.
Palloncino Mylar Polistirolo Lattina vuota Provetta in vetro Bottiglie in plastica Aste in PVC Tubo in teflon Fogli in polietilene Stoffe in poliestere, lana Asta in metallo Acqua saponata e cannuccia per fare bolle
Con la lana strofina alcuni dei materiali e verifica che si carichino. Come lo verifichi?
Come fai a verificare se un materiale è isolante o conduttore? Un gruppo ha risposto nella maniera seguente: E possibile verificare se un materiale è isolante o conduttore caricandolo e mettendolo a contatto con un elettroscopio. Si osserva che le lamine dello strumento inizialmente si allontanano, poi, se l oggetto carico è un conduttore, quando lo separerò dall elettroscopio, si noterà che le lamine rimarranno separate; viceversa, se è un isolante si riavvicineranno. Le lamine rimangono separate perché essendoci stato un passaggio di cariche tra l oggetto conduttore e l elettroscopio, dopo il distacco questo rimane carico; le lamine avranno un eccesso di carica dello stesso segno e si respingeranno.
Importante: ai vari gruppi non era stato fornito alcun elettroscopio, ma la barra di metallo posta sopra le due bottiglie isolanti e il nastro di mylar poggiato su un'estremità dell'asta è diventato automaticamente il loro elettroscopio, nonostante la diversità rispetto a quello visto in classe e costruito a casa.
Gonfia un palloncino e strofinalo con la lana, poi fai delle bolle di sapone e osserva come interagiscono col palloncino. Sapresti spiegare il comportamento delle bolle? Commento del docente: buona parte dei gruppi ha parlato di polarizzazione e non di induzione. Non è facile però arrivare a capire che le bolle sono conduttrici
Prendi una borsa della spesa e fai una frangia con un rettangolo ritagliato da questa. Strofinala con la lana e osserva come interagisce col palloncino anch esso strofinato con la lana. Sai spiegare il comportamento della frangia di polietilene? Un gruppo ha risposto così: Abbiamo notato che le frange si respingono, questo avviene perché hanno un eccesso di cariche dello stesso segno.
Prendi due bottiglie in plastica e poggiaci sopra l asta metallica. Ad un estremità appoggia un nastro di mylar facendo pendere due parti uguali dai due lati e fissalo con un po di scotch. Avvicina il palloncino all estremità opposta al mylar. Sai spiegare cosa succede?
Usando l apparato precedente, tocca l estremità dell asta metallica opposta al mylar con la mano e senza staccarla metti in contatto dalla stessa parte anche il palloncino. Osserva cosa succede. Quindi stacca la mano, dopo il palloncino. Sai spiegare cosa succede? Risposta 1: il palloncino induce il passaggio di cariche dal mio corpo all elettroscopio, infatti togliendo la mano l elettroscopio rimane carico e le lamine si allontanano Risposta 2: si appoggia una mano sull'asta di rame, perciò ogni carica presente sulla superficie di questa viene scaricata a terra, perché il corpo umano è conduttore. Se, vicino alla mano, si poggia sull'asta un palloncino caricato per strofinio, le strisce di mylar restano ferme: ciò accade perché il rame è conduttore, quindi permette agli elettroni del palloncino carico di passare attraverso l'asta sulla mano, e di essere scaricati a terra. Togliendo la mano, rimane un sistema complessivamente neutro. Una volta allontanato il palloncino si osserva che le strisce di mylar si respingono vicendevolmente, perché i elettroni presenti sull'asta, riprendono a coprire tutta la superficie di quest'ultima e anche sul mylar (che risente di una forza repulsiva dovuta ai protoni presenti sull'asta e ai protoni presenti sul mylar). Risposta 3: quando appoggio il palloncino sull asta di metallo questo permette un passaggio di carica dalla mano all elettroscopio, notiamo infatti che quando cessa il contatto fra la mano e l asta l elettroscopio rimane carico e le foglie di mylar si respingono.
Commenti. 1. L ultima domanda è quella che ha posto maggiori problemi ai gruppi, qualcuno non ha ben compreso quanto accadeva, altri pur avendo compreso nelle linee essenziali il fenomeno non è riuscito a giustificarlo nei dettagli sulla base di quanto ricavato dalle esperienze precedenti. In ogni caso i gruppi si sono posti di fronte a questa ultima esperienza (piuttosto complessa) nella maniera giusta, provando a trovare una spiegazione da soli in maniera autonoma. La spiegazione in questo caso era più complessa perché richiedeva di collegare tutte le conoscenze ricavate precedentemente. 2. Nonostante l aspetto fosse molto diverso dall elettroscopio presentato a lezione, l asta sulle bottiglie è stata chiamata elettroscopio da diversi gruppi, segno della comprensione del comportamento dell apparato.
Abbiamo quindi alternato lezioni di teoria a lezioni in laboratorio. Riportiamo di seguito ciò che abbiamo analizzato dal punto di vista sperimentale. BARATTOLO CON PALLONCINO Abbiamo attaccato delle strisce di mylar a un barattolo metallico, attaccandole sia al bordo che al corpo centrale. All interno abbiamo messo un palloncino caricato. Come si interpreta quanto accade al barattolo? Con il palloncino ancora all interno cosa accade se si tocca il barattolo dall esterno? Cosa succede se ora si toglie il palloncino dall interno? In ogni fase si è aperta la discussione libera in classe
Altre situazioni interessanti Se si tocca con un dito il barattolo Dopo anche senza palloncino
LINEE DI CAMPO (1) Per visualizzare le linee di campo elettrico abbiamo utilizzato del pepe, precedentemente «filtrato» con un colino, e dell olio di semi. Abbiamo quindi inserito degli elettrodi collegati a un generatore di Wimshurst Assenza di carica Asta carica
LINEE DI CAMPO (2) Cariche puntiformi segno opposto Condensatore a facce piane e parallele
MOTORE ELETTROSTATICO Abbiamo concluso il nostro percorso mostrando cosa «possono fare» le cariche, costruendo un motorino. Si tratta di un semplice motore elettrostatico, costruito con due conduttori cilindrici (vanno bene anche delle lattine in alluminio), un po' di filo di rame, una bottiglia in plastica, rettangoli di foglio di alluminio e un generatore di Wimshurst. Abbiamo dato a ciascun gruppo lo schema dell'apparecchio da realizzare ed abbiamo lasciato la piena libertà sulla sua costruzione, mettendo a disposizione tutto il materiale che immaginavamo potesse servire.
SCHEMA DEL MOTORE ELETTROSTATICO Immagine tratta dal sito http://madscientist.altervista.org/elettr/elettrost/ motelettrost/motelettrost.htm
FOTO DEL MATERIALE A DISPOSIZIONE PER LA COSTRUZIONE DEL MOTORINO 3 basi di legno 1 bottiglietta di plastica Pezzetti di fogli di alluminio 2 pezzetti di filo di rame (rigido) Perno da fissare alla base 2 cilindri metallici (lattine) 2 pezzi di polistirolo
Una volta terminato il montaggio, abbiamo collegato i due conduttori al generatore di Wimshurst, che li ha caricati di segno opposto. Se l'apparecchio funziona, la bottiglia si mette a girare velocemente.
FILMATO DEL MOTORE IN FUNZIONE
Il funzionamento del motore si basa sulla repulsione/attrazione elettrostatica: la carica elettrica passa dal generatore ai due cilindri e, da questi, attraverso i fili di rame, con densità di carica molto elevata perché appuntiti, passa ai fogli di alluminio, che così vengono respinti perché caricati con lo stesso segno del conduttore collegato al filo, e allo stesso tempo attratti dall'altro cilindro caricato di segno opposto. Tutto questo si ripete ad ogni giro e la bottiglia si mantiene in rotazione mentre il generatore è in funzione.
VERIFICHE DEGLI APPRENDIMENTI I percorsi, come detto, sono stati sviluppati in maniera analoga da tre colleghi differenti in tre sezioni diverse. Le verifiche degli apprendimenti si sono differenziate: in una sezione si è proceduto alla compilazione di una scheda finale da parte dei ragazzi, mentre nella altre due la verifica è stata orale. Le domande orali sono analoghe a quanto si trova nella scheda in maniera più organica e organizzata.
Scheda di verifica finale
Due esempi di relazione
RISULTATI OTTENUTI Nella descrizione di alcune esperienze abbiamo inserito i commenti dei docenti che costituiscono un analisi puntuale degli apprendimenti. In particolare abbiamo individuato alcuni snodi concettuali che tipicamente vengono con più facilità acquisiti. L elettroscopio è ben compreso come testimonia il riconoscimento dello strumento a prescindere dalla sua sua struttura esteriore. L induzione, invece, è un fenomeno che difficilmente viene individuato. Gli alunni sembrano acquisire con più facilità l elettrizzazione per contatto e la polarizzazione (introdotta e spiegata con l ausilio del libro di testo) cui tutti i fenomeni vengono ricondotti. Infine il movimento delle cariche con la «messa a terra» tramite contatto con il corpo umano, costituisce uno scoglio concettuale che solo con l ausilio del docente e del libro di testo riesce, piano piano, a essere compreso, fatto proprio e superato.
EFFICACIA DEL PERCORSO DIDATTICO (1) Maggiore facilità nella formazione del concetto di carica elettrica e nella consapevolezza che la presenza di cariche «provochi» una forza. Positiva è stata l efficacia del vedere in azione questa forza, nel poterla «controllare» e usare. Essere in grado di produrre i fenomeni desiderati ha costruito una consapevolezza che raramente i discenti acquisiscono, in altri contesti. Molti più alunni (la quasi totalità, si veda più avanti) ha mostrato di essere consapevole della necessità di «giustificare» le proprie conclusioni. Sui fenomeni più semplici quasi tutti sono riusciti a mettere in pratica quanto detto, giustificando e argomentando correttamente.
EFFICACIA DEL PERCORSO DIDATTICO (2) Il concetto di campo, grazie alla visualizzazione fisica, reale delle linee di campo si è presentato in maniera un poco più naturale del solito, senza ovviamente, nascondere le difficoltà teoriche insite soprattutto nella sua formalizzazione matematica Purtroppo alcuni alunni hanno costruito negli anni un approccio negativo nei confronti della fisica e in questi casi, anche la nuova metodologia utilizzata non è riuscita efficace, per una sorta di rifiuto della materia. La soluzione potrebbe essere cominciare fin dal primo biennio a costruire una diversa consapevolezza individuando alcune unità didattiche (anche solo una o due l anno) da trattare con questo approccio più fenomenologico. Proprio per queste ragioni, il percorso proposto, di carattere essenzialmente sperimentale può essere affrontato in una classe seconda, limitando lo studio dell elettrostatica a questa prima parte.