Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Oscillazioni
Concetti
Attività
1) L’asinello acrobata
1) Spostare dall’equilibrio
2) Il pendolo
2) Far oscillare
3) La molla
1) forza ed equilibrio
trasformazioni di energia
moto periodico
2) forza ed equilibrio
trasformazioni di energia
moto periodico
misure di tempo
3) Far oscillare
3) forza ed equilibrio
trasformazioni di energia
periodo
misure di tempo
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”
Oscillazioni-1
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Oscillazioni
Consegna:
tutto quello che si può fare con pendoli, elastici e molle per osservare
l’oscillazione e misurare intervalli di tempo
Forze ed energia in un moto oscillatorio
• un moto oscillatorio è causato da forze di richiamo verso una posizione di equilibrio,
• durante il moto l’energia si trasforma periodicamente da energia di moto a energia di posizione,
• tuttavia, trasformandosi, parte dell’energia si disperde a causa degli attriti e quindi l’oscillazione è smorzata,
• il moto è periodico, cioè il corpo ripassa a intervalli regolari di tempo per le stesse posizioni,
• il periodo dell’oscillazione dipende dalle caratteristiche del corpo e delle forze di richiamo e può essere utilizzato come unità di
misura del tempo in un “orologio”,
• il tempo di smorzamento in cui si ricupera la posizione di equilibrio è caratteristico dell’interazione con l’ambiente circostante
Misura del tempo
• è possibile definire una procedura che permetta di confrontare e ordinare il tempo in modo non ambiguo
• per misurare il tempo occorre definire una procedura di misura e trovare una unità di misura
• per la misura del tempo si utilizzano fenomeni in cui il tempo scorre in modo lineare oppure in modo ciclico
• i fenomeni in cui il tempo scorre in modo ciclico sono fenomeni periodici, nei quali tutto si ripete in modo identico a distanza di
tempo di un periodo
• l'unità di misura del tempo nel SI è il secondo (simbolo s)
Oscillazioni-2
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
L’asinello acrobata
Oggetti: un tappo di sughero, quattro fiammiferi, un pezzo di cartone tagliato con la sagoma di una testa
di asino, un pezzo di fil di ferro a forma di mezzo anello, un dado di bullone pesante, cordino,
contasecondi, righello.
Attività:
• Fissare al tappo di sughero la testa di cartone, i quattro fiammiferi (che saranno le zampe dell’asinello)
e il fil di ferro (che sarà la coda);
• normalmente l’asinello ha bisogno di stare sulle quattro zampe per rimanere in equilibrio, ma, se si
appende il dado all’estremità del fil di ferro in modo che penda al di sotto dell’asinello come in figura,
esso rimarrà in equilibrio sulle sole zampe posteriori;
• anche se si sposta l'asinello dalla posizione di equilibrio, dopo una breve oscillazione, vi farà ritorno!
• Osservare l’oscillazione, individuare le forze, in particolare individuare le “forze di richiamo”,
indicandole con delle frecce con il corretto punto di applicazione;
• misurare il periodo dell’oscillazione (misurare il tempo di 20 oscillazioni e dividere per 20);
• appendere il dado all’anello attraverso un cordino lungo circa 20 cm e rimisurare il periodo
dell’oscillazione;
• individuare un criterio per valutare lo smorzamento dell’oscillazione e il tempo di smorzamento
Concetti:
• equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio,
• moto oscillatorio,
• periodo dell’oscillazione,
• smorzamento
Aspetti didattici:
- scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio;
- scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità”
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’oscillazione e
dell’equilibrio
Riferimenti:
- G. Meraviglia – La scienza in altalena
Schede di giochi e scienza - Ed.
Scienza, Trieste, 1999
- www.iapht.unito.it
Oscillazioni-3a
L’asinello acrobata
Fp-ris
La fisica:
FTa
• composizione di forze e forze in equilibrio: perché l'asinello diventa un "acrobata" con un dado
pesante attaccato alla coda. Alla forza-peso FTa dell'asinello, si aggiunge la forza-peso FTd del
dado, come mostrato in figura, per cui il baricentro B, a cui si può pensare applicata la loro risultante
FT-ris, si sposta in basso e viene a trovarsi lungo la verticale che è allineata con la forza di reazione
Fp-ris esercitata dall'appoggio; perciò l'equilibrio è stabile;
B
• oscillazione: spostando il dado dalla verticale, la componente della forza FT-ris diretta lungo la
congiungente continua ad equilibrarsi con l’analoga componente della forza di reazione Fp-ris
esercitata dal piano, mentre la componente perpendicolare FT-perp non è più allineata e funziona da
FTd
FT-ris
forza di richiamo che riporta il dado verso il basso. Giunto sulla verticale, il dado prosegue per
inerzia, la componente FT-perp si inverte e funge di nuovo da richiamo nell’altro senso;
Fp-ris
• il periodo dell’oscillazione dipende dalla distanza d fra i punti di applicazione delle due forze:
Fp-perp
maggiore è la distanza, più lungo è il periodo;
d
• il tempo di smorzamento dipende soprattutto dall’attrito contro l’appoggio; può essere valutato
osservando dopo quante oscillazioni l’ampiezza dell’oscillazione si dimezza
FT-perp
FT-ris
Contesto:
- la conduzione dell’attività in modo 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
Oscillazioni-3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Il pendolo
Oggetti:
filo, dado o pallina di pongo , una bacchetta da tenda, pinze da bucato, forbici, metro a nastro, contasecondi .
Attività:
• costruire vari pendolini utilizzando il dado e il pongo per formare palline di massa diversa e tagliando il filo
per ottenere lunghezze diverse;
• fissarli con le pinze da bucato alla bacchetta, che si dovrà appoggiare agli estremi in modo che i pendolini
possano oscillare liberamente.
• inizialmente osservare semplicemente come oscillano i diversi pendoli, cercando di capire come avviene
l’oscillazione e di individuare la forza di richiamo verso la posizione di equilibrio;
• misurare il tempo che il pendolo impiega a fare una oscillazione completa (periodo), misurando il tempo di 10
oscillazioni e dividendo per 10;
• analizzare poi quali grandezze caratterizzano l’oscillazione e da che cosa dipende il periodo;
• successivamente trovare il modo di confrontare e/o misurare il periodo dei diversi pendolini, intervenendo
eventualmente anche sul come è fatto il pendolo (lunghezza del filo, massa della pallina);
• misurare sistematicamente la relazione fra lunghezza del pendolo e periodo e riportarla in un grafico;
• stimare infine il tempo di smorzamento, valutando dopo quante oscillazioni l’ampiezza si riduce circa alla
metà.
posizione di
equilibrio
Concetti:
• equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio,
• moto oscillatorio e periodo dell’oscillazione,
• trasformazione/conservazione dell’energia
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’oscillazione e
dell’equilibrio
Aspetti didattici:
- scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio;
- scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità”;
- analizzare le trasformazioni dell’energia e la sua conservazione/dispersione
Riferimenti:
- G. Meraviglia – La scienza in altalena –
Schede di giochi e scienza - Editoriale
Scienza, Trieste, 1999
- www.iapht.unito.it
Oscillazioni-4a
Il pendolo
Fs-p
Fs-p
Fs-p
Fs-p-perp
Fs-p-perp
Contesto:
- la conduzione dell’attività in modo 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
(a)
d
(b)
(c)
posizione di
equilibrio
FTd-perp
posizione di
equilibrio
FTd
FTd
posizione di
equilibrio
FTd-perp
FTd
La fisica:
• forze in equilibrio: nella posizione di equilibrio il dado a cui è sostanzialmente applicata la forza peso FTd viene a trovarsi lungo la
verticale che è allineata con la forza di reazione Fs-p esercitata dall'appoggio, perciò l'equilibrio è stabile;
• oscillazione: spostando il dado dalla verticale, la componente della forza FTd diretta lungo la congiungente continua ad equilibrarsi
con l’analoga componente della forza di reazione Fp-ris esercitata dal punto di sostegno, mentre la componente perpendicolare FTdperp
non è più allineata e funziona da forza di richiamo che riporta il dado verso il basso. Giunto sulla verticale, il dado prosegue
per inerzia, la componente FTd-perp si inverte e funge di nuovo da richiamo nell’altro senso;
• durante l’oscillazione, l’energia si trasforma periodicamente da energia di posizione (che è massima quando il pendolo si trova
alla massima distanza dalla posizione di equilibrio) a energia di moto (che è massima quando il pendolo passa per la posizione di
equilibrio, cioè di allineamento lungo la verticale)
• il periodo dell’oscillazione dipende dalla distanza d fra i punti di applicazione delle due forze, cioè dalla lunghezza del pendolo:
maggiore è la distanza, più lungo è il periodo.
Oscillazioni-4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
La molla
Oggetti: molle con buona costante di elasticità oppure alcuni elastici di caucciù, bottiglia di plastica da
1,5 litri, contasecondi, bacchetta di sostegno
Attività:
• riempire la bottiglia con 1 litro di acqua, agganciarla all’elastico di caucciù, appenderla alla bacchetta
di sostegno e metterla in oscillazione;
• inizialmente osservare semplicemente come oscilla, cercando di capire come avviene l’oscillazione e di
individuare la forza di richiamo verso la posizione di equilibrio;
• analizzare poi quali grandezze caratterizzano l’oscillazione e misurare il tempo di una oscillazione
completa (periodo), misurando il tempo di 10 oscillazioni complete e dividendo per 10;
• ripetere la prova con la bottiglia riempita con 1,5 litri;
• ripetere la prova con due elastici messi in parallelo oppure in serie.
Concetti:
•equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio,
• moto oscillatorio,
• periodo dell’oscillazione,
•trasformazione/conservazione dell’energia
Aspetti didattici:
- scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio;
- scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità”;
- analizzare le trasformazioni dell’energia e la sua conservazione/dispersione
Attacco (spunti e continuità):
- la “magia” dell’oscillazione e
dell’equilibrio
Riferimenti (dove, come e per chi):
- G. Meraviglia – La scienza in altalena
– Schede di giochi e scienza Editoriale Scienza, Trieste, 1999
- www.iapht.unito.it
Oscillazioni -5a
La molla
La fisica:
• forze in equilibrio: appendendo la bottiglia contenente acqua, l’elastico si allunga finché la forza Feb che
Feb
l’elastico applica alla bottiglia e che è diretta verso l’alto equilibra la forza FTb diretta verso il basso;
• oscillazione: spostando la bottiglia verso il basso, la forza Feb aumenta, perché aumenta l’allungamento
dell’elastico, mentre la forza FTb rimane invariata; la differenza funziona da forza di richiamo che tende
a riportare la bottiglia verso la posizione di equilibrio. Giunta alla posizione di equilibrio, la bottiglia
prosegue per inerzia muovendosi verso l’alto, ma ora la forza Feb è minore e diminuisce man mano che
FTb
diminuisce la lunghezza dell’elastico, per cui la differenza Feb - FTb si inverte e funge di nuovo da
richiamo nell’altro senso;
• durante l’oscillazione, l’energia si trasforma periodicamente da energia di posizione elastica (che è
massima quando la bottiglia si trova alla massima distanza dalla posizione di equilibrio) a energia di
moto (che è massima quando la bottiglia passa per la posizione di equilibrio);
• il periodo dell’oscillazione dipende dalla massa della bottiglia: maggiore è la massa, più lungo è il
Feb
Feb
periodo;
• il periodo dipende anche dalla costante elastica della molla: maggiore è la costante elastica, più breve è
il periodo; mettendo due elastici in parallelo, si aumenta la costante elastica, perché si irrigidisce
l’elastico, e quindi il periodo diminuisce; l’opposto avviene con gli elastici in serie.
FTb
FTb
Contesto:
- la conduzione dell’ attività in modo 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
Oscillazioni-5b