Corso Dol
titolo: MP01 Esperienza didattica di base
classe
tutor
G7
Carmen Valentino
corsista
Pietro Ammavuta
LABORATORIO VIRTUALE
Divertirsieimparare On Line
I.P.S.S.T.C “G.Salvemini”
Esperienza didattica sul modulo
“ Molle e la legge di Hooke “
Classe: 1B
MENU’
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Premesse
La teoria
Il laboratorio virtuale
La scheda di lavoro
Conclusione
Premesse
L’esperienza effettuata riguarda le molle e la
legge di Hooke ed è stata realizzata dagli
allievi della classe 1B dell’I.P.S.S.T.C
“G.Salvemini” utilizzando un laboratorio
virtuale on line perchè la scuola non è
attrezzata con un laboratorio tradizionale di
fisica dato che la materia è stata prevista
nell’ordinamento a partire dell’a.s 2010/11
La Teoria
La legge di Hooke descrive quantitativamente le deformazioni
elastiche subite da un solido al quale sia applicata una forza
meccanica. L’esperienza mostra che, quando si applica a un corpo
solido una forza che ne modifichi la forma in modo non irreversibile,
l’entità della deformazione è proporzionale alla forza applicata. Se
l'intensità della forza è minore di un certo valore critico,
l'allungamento prodotto è ad essa proporzionale e il grafico che
rappresenta la legge è una retta (Proporzionalità Diretta). Al di
sopra del limite elastico, specifico di ogni corpo e dipendente dalla sua
forma e composizione, si producono deformazioni irreversibili;
il grafico si discosta dall'andamento lineare e la legge di Hooke
non è più valida.
Forza elastica
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Quando una molla è
deformata tende a
ripristinare il suo stato di
riposo esercitando una
forza di richiamo
Per piccole deformazioni,
la forza di richiamo
risulta proporzionale allo
spostamento
dell’estremo libero della
molla dalla posizione di
riposo (legge di Hooke):


F  k x
dove k = costante elastica
F
x
F
x
La costante elastica k
La costante elastica (k), che dipende strettamente dal materiale del corpo
elastico, può essere calcolata applicando la formula inversa della legge di
Hooke. Quindi se:
Lo spostamento (so = x ) è in genere un allungamento, ma può anche essere
un accorciamento se la molla in condizione di riposo non ha le spire a
contatto. Appendendo una molla ad un gancio e attaccando alla molla un
peso, la molla si allunga per effetto della forza esercitata dal peso e
l'allungamento si arresta quando la forza peso viene equilibrata dalla forza
elastica.
Le molle
Se si aumenta il peso applicato alla molla, l'allungamento della molla
cresce in modo direttamente proporzionale fino ad un limite di
elasticità. Se si supera tale limite, le deformazioni della molla
divengono anelastiche, cioè permanenti; scaricando tutto il peso dalla
molla, essa si trova ad avere una lunghezza maggiore che all'inizio
(deformazione permanente).La costante elastica della molla che subisce
una deformazione a causa di forze agenti su di essa, attraverso la
formula inversa della legge di Hooke (k=-F e /x) . La costante elastica,
espressa con la lettera “k”, è un parametro la cui unità di misura è N/m.
Inoltre essa è positiva, anche se dovrebbe essere negativa, in quanto è
una costante e per tanto si considera solo il modulo. Più k è
grande e più la molla è rigida, ovvero occorre una forza maggiore
per produrre un dato allungamento La molla è un corpo elastico,
generalmente fabbricato in acciaio o in bronzo (anche se per
sollecitazioni limitate se ne possono usare anche altri, ad esempio
materie plastiche), usato ed ottimizzato per accumulare energia
meccanica e capace di subire deformazioni significative ma reversibili
quando viene sottoposto a forze.
Diagramma
forza – allungamento
di una molla
Equilibrio di un corpo
appeso ad una molla
Prima legge di Newton:
 
P  Fel  0
Fel
mg
mg  kx  0  x 
k
P
x
Nella posizione di equilibrio la molla è
allungata di un tratto x=mg/k.
Il laboratorio virtuale
Il materiale utilizzato per la simulazione virtuale degli
esperimenti di fisica è tratto da
FISICA2005 http://www.ba.infn.it/~fisi2005/
E’ una iniziativa dell'INFN ( Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare), sezione di Bari, nata in occasione dell‘Anno
Mondiale della Fisica e rivolta ai docenti di Fisica delle
Scuole Medie Superiori. L'iniziativa rendere disponibile on line
materiale didattico consistente in simulazioni di fenomeni di
fisica selezionate da quelle reperibili su Internet, classificate e
descritte da una scheda di presentazione e corredate con una
scheda di lavoro per gli studenti.
Ecco il laboratorio con 3 tipi di molle, i pesi con massa da 50,
100 e 250 gr, e quelli di massa non nota (rosso, giallo, verde)
http://www.ba.infn.it/~fisi2005/
Gli esperimenti sulle molle e pesi
OBIETTIVO: Misurare la costante elastica di una molla e una volta
nota determinare la massa di un peso incognito o l'accelerazione
di gravità.
PREREQUISITI:
-Riconoscere il tipo di relazione esistente
tra le variabili di una formula
-Riconoscere dal grafico il tipo di relazione
esistente tra le grandezze in esso riportate
-Calcolare la pendenza di una retta
-Forze elastiche e Legge di Hooke F=K*DL
-Forza
Descrizione animazione
Istruzione animazione
http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/simulazione020.html
L’animazione Flash fa parte del PhET - The Physics Education Technology Project
Autore:
© Colorado University [email protected]
DESCRIZIONE Animazione Flash
L'animazione si basa sulle proprietà elastiche della
molla. La molla è costituita da un filo di acciaio,
avvolto come un elica cilindrica che, sottoposta a
trazione, si allunga fino ad arrivare ad una posizione
di equilibrio corrispondente ad una nuova lunghezza
della molla. L'animazione permette di applicare alla
molla varie forze note, permettendo così di
determinare la costante elastica della molla
misurando gli allungamenti. Si possono applicare
anche forze incognite. Puo' essere variata la
resistenza dell'aria, la costante elastica di una delle
tre molle e l'accelerazione gravitazionale.
ISTRUZIONI Animazione Flash
Con il mouse si può spostare :
- il righello per misurare la lunghezza della molla
- i pesi per attaccarli/staccarli dalla molla
Nel pannello a destra si può far variare la resistenza
dell'aria (friction), la costante elastica della molla
numero 3 (stiffness spring 3) e l'accelerazione
gravitazionale cambiando pianeta(Jupiter, Moon
Earth, ...).
Si può richiedere di mostrare il diagramma
dell'energia (Show Energy) e un timer per misurare il
periodo di oscillazione della molla (Stopwatch).
SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE
http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/anim020/sclav_pesimolle.pdf
Prima Fase: Rispondi prima ai seguenti quesiti
Cosa accade quando appendi un peso ad una molla?
In presenza della resistenza dell’aria oscilla per poi fermarsi dopo un certo tempo
In assenza della resistenza dell’aria oscilla per sempre
Se si appende ad una molla un corpo molto pesante cosa succede alla molla?
si deforma in modo permanente
Appendendo un peso ad una molla come cambia l'allungamento della molla se siamo:
sulla Terra si allunga di più che sulla luna
sulla Luna si allunga meno che sulla Terra
nello spazio non si allunga
SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE
Seconda Fase: Misura della costante elastica della molla
Posizionare il righello accanto alla prima molla e misurare la lunghezza della
molla a riposo: lunghezza iniziale Li.
Appendere un peso alla molla e misurare la lunghezza della molla allungata:
lunghezza finale Lf.
Calcolare l'allungamento della molla ǻL=Lf-Li.
-lunghezza iniziale della molla
Lunghezza iniziale Li = cm
lunghezza finale della molla
-(allungata a causa del peso applicato) Lunghezza finale Lf = cm
Applicare ora alla molla numero 1 i pesi da 50gr, 100gr e 250gr, misurare
l'allungamento della molla e costruire la seguente tabella dati TAB.1
TAB.1
Nprova
numero della
prova effettuata
mp (gr)
massa del peso
applicato alla molla
Lf (cm)
lunghezza finale
della molla
DL (cm)
allungamento della
molla
1
50
27
5
2
100
27
10
3
250
27
25
Cosa si può osservare guardando i dati riportati nella tabella? Che tipo di
relazione c'è tra la massa dei pesi applicati e l'allungamento della molla?
Aumentando la massa aumenta l’allungamento in modo proporzionale
Costruire il grafico di mp*g (g=9,8 m/sec^2) in funzione di DL
per i dati riportati nelle tabelle TAB.1 e verificare che sia una retta
la cui pendenza rappresenta proprio il valore della costante
elastica della prima molla K1.
30
D L (cm)
25
250
20
15
10
100
5
50
0
0
0
100
200
300
masse (gr)
Ripetere l'esperimento utilizzando la seconda e la terza molla
al fine di determinare la costante elastica K2 e K3
K1= m *9,81 = 98
DL
K2= 109
K3= 109
SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE
Terza Fase: Misura di pesi incogniti
Scegliere una delle molle di cui si è calcolato la costante elastica K e
applicare uno alla volta i tre pesi incogniti misurando l'allungamento della
molla. Calcolare il peso di ciascun cilindretto e riportare i dati nella seguente
tab2
DL (cm)
mp (gr)
allungamento
della molla
massa del peso
applicato alla molla
7
75
peso giallo
15
150
peso rosso
30
300
cilindretto
peso verde
SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE
Quarta Fase
Fare diverse prove:
1- modificando la resistenza dell'aria (friction)
2- cambiando pianeta (Earth, Jupiter, Moon, ...)
e verificare le risposte date nella prima fase.
Appendere il peso da 250gr alla molla numero 3 e modificate l'elasticità
della molla (stiffness spring3). Cosa si può osservare?
Spostando il cursore verso hard (rigido) le deformazioni diminuiscono,
spostando il cursore verso soft (morbido) le deformazioni aumentano
Con quale procedura si potrebbe calcolare l'accelerazione
gravitazionale di un pianeta?
Calcolando la forza elastica di una molla di cui è noto il K e l’allungamento DL
g = DL* K1
sulla terra g= 9,81 m/s2 sulla luna g=1,61 m/s2
m
Conclusioni
D ivertirsi
On
L ine
e imparare ...
Fine
… niente panico, signor ispettore, bisogna sapere
giocare con il sapere. Il gioco è il respiro della
fatica, l’altro battito del cuore, non nuoce alla
serietà dello studio, ne è il contrappunto. E poi
giocare con la materia è un modo come un altro
per abituarci a padroneggiarla. Non dia del
bambino al pugile che salta la corda, è imprudente.
Daniel Pennac, Diario di scuola Feltrinelli 2008
pag 131