Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Forze magnetiche
Attività
1) L’aquilone magnetico
2) I magnetini sulla bilancia
3) I pendolini magnetici
4) Il flipper magnetico
5) Il chiodo che diventa
calamita
1) Sollevare senza toccare
2) Pesare di più o di meno
Concetti
1) forze a distanza
2) forze a distanza e polarità
magnetiche
3) Fare oscillare
3) forze a distanza ed
equilibrio di forze
magnetiche
4) Lanciare
4) energia magnetica
5) Attirare piccoli oggetti
metallici
5) effetti magnetici di una
corrente elettrica
D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007
Forze magnetiche-1
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Forze magnetiche
Consegna:
tutto quello che si può fare con magnetini, fermagli metallici, bilancia e un dinamometro
Occhiello forze a distanza
• una calamita è capace di attrarre piccoli oggetti vicini;
• la calamita esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, detta forza magnetica, che è diretta
lungo la retta che li congiunge;
• non tutti gli oggetti possono sentire una forte attrazione magnetica, solo quelli che contengono certi
tipi di metallo come il ferro e che pertanto vengono chiamati “materiali ferromagnetici”;
• un oggetto magnetizzato da una calamita si comporta come se fosse a sua volta magnetico, cioè
diventa capace di attirare altri oggetti di ferro.
Forze attrattive o repulsive
• avvicinando fra di loro due calamite si può osservare che si attirano oppure che si respingono;
• ogni calamita, qualunque sia la sua forma e dimensione, ha sempre due poli magnetici di segno diverso, che indicano zone di
azione magnetica particolarmente intensa e che sono presenti agli estremi opposti: poli dello stesso segno si respingono, mentre
poli di segno diverso si attirano;
• ai due poli magnetici viene dato convenzionalmente il nome di polo Nord e polo Sud;
• i due poli non possono essere separati: spezzando in due una calamita, si riformano i due poli agli estremi opposti di ciascuna
parte;
• la forza di attrazione o di repulsione fra calamite è reciproca: se la calamita “1” attira la calamita “2”, anche la calamita “2”, a sua
volta, attira la calamita “1”.
La forza magnetica e il “campo”
• in corrispondenza dei poli magnetici la forza magnetica di attrazione o repulsione è molto intensa;
• nelle zone più lontane dai poli l’attrazione e la repulsione diminuiscono
• interporre carta o plastica tra le calamite o tra la calamita e un oggetto contenente ferro non impedisce l’azione
reciproca dei due oggetti
• in un campo magnetico è immagazzinata dell’energia magnetica
Forze magnetiche-2
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
L’aquilone magnetico
Oggetti: alcune clips metalliche, alcuni magnetini, filo, pongo, righello
Attività:
• Attività introduttive:
- esplorare in vari modi come è fatta una calamita e l’attrazione o repulsione che avviene fra poli eguali e
poli opposti di due calamite
- esplorare la magnetizzazione di oggetti metallici, come una clips, quando sono avvicinati a una calamita
- verificare che la clips, una volta magnetizzata, si comporta come un vero e proprio magnete, con poli
opposti agli estremi
- individuare sempre le forze in gioco indicandole con il nome degli oggetti in interazione
• Un gioco per esplorare l’interazione a distanza.
- Attaccare un cordino leggero alla base del fermaglio metallico, che fungerà da “aquilone”. Appoggiare
cordino e fermaglio su un tavolo e, tenendo fermo con un dito l’estremo libero del cordino, avvicinare
una calamita al fermaglio, facendo in modo che la calamita lo attiri senza tuttavia toccarlo fino a quando
il cordino risulti ben teso. A questo punto cominciare a sollevare la calamita badando di tirarsi dietro il
fermaglio.
- Con il righello fissato alle calamite evidenziare la distanza massima che si può lasciare fra la calamita e
l’estremo del fermaglio senza che il fermaglio cada.
- Confrontare la distanza massima quando il filo è verticale con quella che si riesce a realizzare con una
inclinazione obliqua.
Ripetere la prova con più fermagli appesi oppure con più calamite
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione magnetica:
storie e leggende di levitazione magnetica
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con le calamite –
Fabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Concetti:
• attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza
• forze in equilibrio
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro distanza
Forze magnetiche-3a
L’aquilone magnetico
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile
a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno
adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un
raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza
e cresce col diminuire della distanza
Fcalamita-fermaglio
• composizione di forze e forze in equilibrio
nota bene
Ffilo-fermaglio
FTerra-fermaglio
Equilibrio delle forze La calamita attira il fermaglio con la forza Fcalamita-fermaglio
che è diretta verso l’alto e permette al fermaglio di “levitare”, cioè di non cadere sotto
l’azione della forza di gravità FTerra-fermaglio. Il ruolo del filo è di aggiungere la piccola
forza laterale Ffilo-fermaglio in modo da equilibrare in direzione e intensità Fcalamita-fermaglio.
In verticale, Fcalamita-fermaglio è minima perché Ffilo-fermaglio è nulla.
Ffermaglio-calamita
Azione e reazione Anche in fermaglio esercita sulla calamita una forza Ffermaglio-calamita,
Fcalamita-fermaglio
diretta verso il basso, che deve essere equilbrata dalla mano che sostiene la calamita
(è così piccola rispetto alla forza peso della calamita che non viene percepita).
Forze magnetiche-3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
I magnetini “infilzati” sulla bilancia
Oggetti: magnetini forati al centro, pongo, stecchino da spiedini, bilancia da cucina
Attività:
• Attività introduttive: esplorare in vari modi come è fatta una calamita e l’attrazione o repulsione che
avviene fra poli eguali e poli opposti di due calamite;
- per farlo più facilmente, infilare i magnetini forati sullo stecchino piantato nel pongo per tenerlo
verticale
- individuare sempre le forze in gioco indicandole con il nome degli oggetti in interazione
•Attività per indagare l’interazione a distanza. Mettere pongo, stecchino e un magnetino su una
bilancia da cucina e pesarli. Infilare sullo stecchino un magnete forato facendo in modo che si
trovino affacciati poli eguali. Osservare la variazione di “peso”. Tradurla in variazione di “forza
peso”esprimendola in newton
- provare a spingere verso il basso il magnetino che levita e osservare la variazione di forza peso al
variare della distanza
- ripetere la prova allontanando verso l’alto il magnetino che levita
- ripetere le prove facendo affacciare le facce opposte dei magnetini
- ripetere le prove frapponendo tra le calamite uno spessore di carta o di altro materiale non
magnetizzabile
Concetti:
•attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e
cresce col diminuire della distanza
• forze in equilibrio
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione magnetica:
storie e leggende di levitazione
magnetica
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con le calamite
Fabbri, 1992 (C)
- www.iapht.unito.it
Forze magnetiche-4a
I magnetini “infilzati” sulla bilancia
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
1
•attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono
Fcalamita3-calamita2
•forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a
2
distanza e cresce col diminuire della distanza
• composizione di forze e forze in equilibrio
3
nota bene
Azione e reazione Ogni calamita esercita sulla calamita vicina una forza uguale
e contraria a quella che la calamita vicina le applica (es. Fcalamita3-calamita2 è
applicata alla calamita 2 ed è diretta verso l’alto, Fcalamita2-calamita3 è applicata alla
calamita 3 ed è diretta verso il basso).
Equilibrio delle forze La calamita 1 è in equilibrio perché alla forza FTerra-calamita1
diretta verso il basso, si oppone la forza Fcalamita2-calamita1 diretta verso l’alto.
Alla calamita 2 sono applicate due forze dirette verso il basso, FTerra-calamita2 e
Fcalamita1-calamita2 che vanno equilibrate dalla forza Fcalamita3-calamita2 diretta verso
l’alto: le calamite 2 e 3 debbono perciò essere più vicine perché questa forza sia il
doppio della forza Fcalamita1-calamita2
Fcalamita2-calamita1
Fcalamita1-calamita2
Fcalamita2-calamita3
4
Fcalamita2-calamita1
1
FTerra-calamita1
Fcalamita3-calamita2
Fcalamita1-calamita2
3
2
FTerra-calamita2
Fcalamita2-calamita3
4
Forze magnetiche-4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
I pendolini magnetici
Oggetti: sottili barrette magnetiche che si trovano nei popolari giochi magnetici tipo “geomag”,
spago, sostegno di cartone o di plastica
Attività:
• legare un cordino sottile al punto di mezzo di una barretta magnetica del “geomag” e
appenderlo a un sostegno;
• verificare che la barretta stia in equilibrio orizzontalmente come in figura: si noterà che il
pendolino dopo una breve oscillazione, si fermerà puntando nella direzione Nord-Sud (si è
quindi costruita una “bussola”);
• per controllare che il pendolino si comporta proprio come l’ago di una bussola, avvicinare
un’altra calamita e muoverla intorno al pendolino, mantenendosi però a una buona
distanza: si noterà che il pendolino si orienta in modo da seguire la calamita (se però si
avvicina troppo la calamita al pendolino, questo sarà bruscamente attirato!)
• preparare un secondo pendolino, appenderlo dalla parte opposta del sostegno: si osserverà
che entrambi i pendolini non si orientano più nella direzione Nord-Sud, ma si influenzano
reciprocamente.
• provare a mettere in rotazione uno dei due e osservare che anche l’altro inizia a ruotare
come se gli arrivasse, a distanza, il segnale di muoversi.
Concetti:
•attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e
cresce col diminuire della distanza
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione magnetica:
storie e leggende
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con le calamite
Fabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze magnetiche-5a
I pendolini magnetici
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i
livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla
classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola
secondaria superiore
La fisica:
• la barretta magnetica si comporta come l’ago magnetico di una bussola che, in presenza di un
altro magnete, ruota orientandosi in modo da avvicinare al massimo al magnete il suo polo
magnetico che ha il segno opposto a quello del polo più vicino dell’altro magnete e allontanare al
massimo l’altro polo;
• la Terra agisce come una enorme calamita che ha il polo Sud magnetico in prossimità del polo
Nord geografico.
Forze magnetiche-5b
PED Fisica
classe A059
Il flipper magnetico
Oggetti: una canalina di alluminio, lunga circa 1 m, tre dischetti
magnetici, 7 sferette di acciaio, dinamometro
Attività:
• fissare alla canalina i tre magnetini a una distanza di circa 15 cm uno
dall’altro, in prossimità di uno degli estremi, e posizionare le 7 sferette
come in figura (stato iniziale);
• avvicinare lentamente la sferetta 1 fino a quando viene attratta dal primo
magnete: si osserverà che la sferetta 3 si stacca e finisce contro il secondo
magnete, fa staccare la sferetta 5 che finisce contro il terzo magnete, mentre
la sferetta 7 parte a grande velocità;
• cercare di valutare l’energia acquistata dalla sferetta 7 inclinando la
canalina a un angolo di circa 30° e misurando l’altezza a cui arriva;
• attaccare una sferetta al dinamometro e misurare la forza che occorre
applicare per staccare la sferetta quando è a immediato contatto con il
dinamometro, come nella posizione delle sferette nello stato finale, oppure
quando fra la sferetta e il magnete è interposta un’altra sferetta, come nella
posizione delle sferette 3, 5 e 7 dello stato iniziale
1
3
1
5
3
7
5
stato iniziale
stato finale
7
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- capire che l’attrazione magnetica comporta
anche una energia di posizione proprio come
l’attrazione gravitazionale
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende
Concetti:
• attrazione magnetica della sferetta di acciaio da parte del magnete
• forze a distanza: la forza di attrazione magnetica agisce a distanza e
diminuisce col crescere della distanza
• energia magnetica: la sferetta attirata dal magnete perde energia di
posizione magnetica e acquista energia cinetica
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con le calamite Fabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze magnetiche-6a
1
Il flipper magnetico
3
1
5
3
7
5
stato iniziale
stato finale
7
La fisica:
• le sferette 1, 3, 5 nello stato finale sono più vicine ai magneti che nello stato iniziale, quindi
occorre più forza per staccarle e, di conseguenza, occorre anche un lavoro maggiore e maggiore
energia;
• nello stato finale le tre sferette hanno quindi una “energia di posizione” minore che nello stato
iniziale, perché sono più vicine ai magneti, proprio come un corpo che, nel campo gravitazionale,
sta più in basso;
• “cadendo” verso il magnete, le tre sferette hanno trasformato una parte della loro energia di
posizione in energia cinetica, proprio come un corpo che cade nel campo della gravità;
• l’energia cinetica delle tre sferette si trasferisce, nell’urto, alla sferetta 7.
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- le osservazioni più impegnative e le misure vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Forze magnetiche-6b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Il chiodo che diventa calamita
Oggetti: una pila da 4.5 volt, un chiodo di ferro o acciaio (5-10 cm), un tratto di filo elettrico (circa
50 cm), fermagli, scatola di spilli, una bussola
Attività:
•avvicinare il chiodo agli spilli e verificare che esso non esercita alcuna attrazione;
•avvolgere il chiodo con una spirale fitta di filo elettrico (almeno una ventina di spire) e collegare i
due estremi liberi del filo alle due linguette della batteria;
•avvicinare la punta del chiodo alla bussola: l’ago della bussola risponde in modo evidente alla
presenza del chiodo magnetizzato;
•interrompere il collegamento con la batteria: il chiodo mantiene una magnetizzazione residua
evidenziata dal movimento dell’ago della bussola;
•per visualizzare in altro modo la magnetizzazione del chiodo da parte della corrente elettrica
avvicinare, a circuito chiuso con la pila, la punta del chiodo agli spilli e osservare l’attrazione
esercitata dal chiodo sugli spilli;
•staccare il collegamento con la pila: gli spilli si staccano immediatamente dalla estremità del
chiodo, la magnetizzazione del chiodo diminuisce in modo evidente
Concetti:
•attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono
• forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e
cresce col diminuire della distanza
Aspetti didattici:
- scoprire le forze che agiscono a distanza
- correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’attrazione magnetica:
storie e leggende
Riferimenti:
- N. Ardley- Giochiamo con le calamite
Fabbri, 1992
- www.iapht.unito.it
Forze magnetiche-7a
Il chiodo che diventa calamita
Contesto:
- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
La fisica:
• il funzionamento di una calamita è basato sulla capacità fondamentale della corrente elettrica di creare nello
spazio intorno a sé una forza magnetica che attira o respinge del tutto simile a quella creata da una calamita
naturale.
• un filo elettrico percorso da una corrente produce degli effetti magnetici del tutto simili a quelli prodotti da una
calamita, cioè diventa una elettrocalamita;
• ponendo un oggetto ferromagnetico all’interno dell’avvolgimento elettrico la forza magnetica diventa molto più
intensa.
Forze magnetiche-7b