Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
OGGETTI E CONCETTI: energia
La fionda
Lanciare piccoli oggetti
• forza ed energia
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia trasferita
La catapulta
Lanciare palline
• forza ed energia
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia trasferita
Cadere e girare
• forza ed energia
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia
La giostra a gravità
I carrelli
Le scale
Urtare
• trasferimento di energia
• trasformazioni di energia
• conservazione dell’energia
Salire
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia trasformata
• la potenza
V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2004 – 2005”
Energia-a
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Lavoro = forza · spostamento (L = F · s)
Energia
1J = 1N ·1m
Consegna: tutto quello che si può fare con bastoncini, elastici,
cucchiai, molle, carrelli e ……
1 joule è il lavoro compiuto dalla forza di 1 N che agisce
per lo spostamento di 1 m lungo la sua direzione
Occhiello energia
• quando si "fa forza per" spostare, deformare, fermare, mettere in moto, ecc., il risultato dipende non solo dall'intensità della forza ma
anche dal tratto (spostamento) lungo cui la forza agisce; la grandezza fisica che dipende sia dalla forza che dallo spostamento viene
chiamata lavoro, e si misura in joule
• il lavoro ci permette di misurare l'energia che viene scambiata facendo forza per ottenere il risultato utile sperato; il risultato non dipende
solo dalla forza o solo dallo spostamento ma dall’insieme dei due, cioè dall'energia trasferita.
• l’unità di misura dell’energia è il joule, che è l’energia che si trasferisce o trasforma applicando una forza di 1N per uno spostamento di
1m
Le caratteristiche dell’energia
• l'energia è importante perché permette di fare del lavoro, cioè di fare forza per ottenere un risultato utile,
• l'energia ha molte forme e può trasformarsi da una forma all'altra, perciò possiamo utilizzarla nella forma che più ci serve,
• l'energia può passare da un oggetto all'altro, perciò possiamo utilizzarla nell'oggetto che più ci serve,
• passando e trasformandosi l'energia si conserva; l'energia non si crea né si distrugge,
• l'energia può essere immagazzinata: un elastico teso, un oggetto in alto hanno energia immagazzinata,
• non tutte le forme di energia sono egualmente utili.
La potenza
• in molti casi non solo è importante l’energia trasferita o trasformata, ma anche il
tempo che occorre per fare la trasformazione o il trasferimento;
• la potenza è l’energia trasferita o trasformata nell’unità di tempo;
• l’unità di misura della potenza è il watt, che è la potenza sviluppata quando c’è
uno scambio di energia di 1 J che avviene in 1 secondo
potenza = lavoro / intervallo di tempo
(W = L / t)
1W = 1J /1s
Energia-2
1 watt è la potenza necessaria per compiere il lavoro di 1 J in 1 s
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Energia: la fionda
Oggetti: un bastoncino robusto a forma di Y, un elastico,
alcune palline (di plastica leggera o di carta appallottolata)
Attività:
• tenere il manico della fionda con una mano
• con l’altra tirare l’elastico stringendo la pallina tra le dita
• scegliere la giusta orientazione prima di lasciare andare la pallina
• chiedere a un collega di misurare la forza, utilizzando un dinamometro o
correlandola all’allungamento dell’elastico
• calcolare l’energia in gioco (usando una forza media, che potrebbe essere pari a
circa la metà della forza massima applicata alla fine dell'allungamento)
Concetti:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una
forma all’altra, essere immagazzinata, passando o trasformandosi, fa “cose utili
•il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto dalla
forza di 1 N che si sposta di 1 m nella sua direzione
Aspetti didattici:
- fare forza per …. ottenere un risultato utile
- le molte forme dell’energia
- la distanza raggiunta nel lancio non dipende solo dalla forza o solo dallo
spostamento ma dall’insieme dei due, cioè dall'energia trasferita
dopo
prima
Fde
tratto lungo cui
agisce la forza
Attacco (spunti e continuità):
- gare di lanci
Sicurezza
Utilizzando gli elastici, si presti
particolare attenzione nella eventuale
presenza di ragazzi non ancora
rispettosi delle regole e/o di certi tipi
di handicap
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
- www.funsci.com
Energia-1a
Energia:la fionda
La fisica:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da
una forma all’altra, essere immagazzinata, passando o trasformandosi fa
“cose utili”
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto dalla forza di 1 N che si sposta di 1
m nella sua direzione
nota bene
- per calcolare il lavoro si può utilizzare la forza media usata per allungare l’elastico, che è circa pari alla metà
della forza per l’allungamento completo
Contesto:
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a
partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare)
- osservazioni più impegnative e il calcolo del lavoro vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Energia-1b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Energia: la catapulta
Oggetti: un cucchiaio, una molla, un supporto, una pallina leggera
(di plastica o di carta appallottolata)
Attività:
• fissare, con la colla o con lo scotch, la molla e il fondo del manico
del cucchiaio al supporto e assicurare l’altro estremo della molla al
manico del cucchiaio
• tenere fermo il supporto con una mano, con l’altra spingere giù il
cucchiaio e chiedere di misurare l’ “altezza” della molla compressa
• eseguire il lancio, lasciando andare rapidamente il cucchiaio
Concetti:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una
forma all’altra, essere immagazzinata, passando o trasformandosi, fa “cose utili
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto dalla
forza di 1 N che si sposta di 1 m nella sua direzione
Aspetti didattici:
- fare forza per …. ottenere un risultato utile
- le molte forme dell’energia
- la distanza raggiunta nel lancio non dipende solo dalla forza o solo
dallo spostamento ma dall’insieme dei due, cioè dall'energia trasferita
Attacco (spunti e continuità):
- gare di lanci
Sicurezza
Nell’uso delle molle, si presti
particolare attenzione nella eventuale
presenza di ragazzi non ancora
rispettosi delle regole e/o di certi tipi
di handicap
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
- www.funsci.com
Energia-2a
Energia: la catapulta
La fisica:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi
da una forma all’altra, essere immagazzinata, passando o trasformandosi
fa “cose utili
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto dalla forza di 1 N che si sposta di 1
m nella sua direzione
nota bene
- per calcolare il lavoro si può utilizzare la forza media usata per premere la molla, che è circa pari alla metà
della forza per la compressione completa
Contesto:
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a
partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare)
- osservazioni più impegnative e il calcolo del lavoro vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Energia-2b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Energia: la giostra a gravità
Oggetti: una base di supporto, il coperchio di una scatola cilindrica, una matita esagonale con la punta
temperata, dado e controdado con diametro interno tali da poter inserire la matita con una buona tenuta, un
rocchetto, un’asta di legno, un blocco di legno, una piccola puleggia, un robusto cordoncino lungo circa 1
metro, un dado pesante
Attività:
• fare un buco nel centro del coperchio cilindrico (che servirà come piattaforma della giostra) e inserire in
esso la matita, controllando di avere una buona tenuta
• fissare la piattaforma a una distanza di circa 5 cm dalla punta della matita usando dado e controdado
• fare un buco con un diametro più largo di quello della matita vicino a un’estremità dell’asticciola di legno
per fissare il blocco di legno verticalmente vicino al bordo della base di supporto
• fissare la puleggia e, dalla parte opposta, fissare l’asticciola di legno; inserire verticalmente la matita nel
buco all’estremità opposta dell’asticciola di legno e inserire il rocchetto sulla parte superiore della matita con
una buona tenuta; arrotolare il cordoncino sul rocchetto e legare il dado pesante all’altra estremità.
• mettere la base di supporto vicino al bordo del tavolo, arrotolare la parte libera del cordoncino sul rocchetto
e lasciare scendere il dado
• calcolare il lavoro fatto dalla forza di gravità del dado (che avrete preventivamente pesato)
Concetti:
• l’energia - può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una forma all’altra,
essere immagazzinata, passando o trasformandosi, fa “cose utili
•il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto dalla forza di 1 N che si sposta di
1 m nella sua direzione
Aspetti didattici:
- fare forza per …. ottenere un risultato utile
- le molte forme dell’energia
- le variabili che intervengono nella caduta dei dadi sono: la lunghezza del filo (cioè
il dislivello) la massa del dado, la velocità ….
Attacco (spunti e
continuità):
- richiami ed analisi
di situazioni del
quotidiano (luna
park …)
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
Energia-3a
Energia: la giostra a gravità
La fisica:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi
da una forma all’altra, essere immagazzinata, passando o trasformandosi fa
“cose utili
•il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- permette di valutare quanta energia è stata trasferita o trasformata
• unità di misura dell’energia nel sistema SI: il joule (J) è il lavoro compiuto
dalla forza di 1 N che si sposta di 1 m nella sua direzione
Contesto:
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a
partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare)
- osservazioni più impegnative e il calcolo del lavoro vanno adattate alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Energia-3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Energia: urti fra carrelli
Oggetti: due carrelli con basso attrito che si muovono mantenendo bene la direzione e sono dotati di una molla
frontale che può essere più o meno compressa; zavorre e bilancia per pesare carrelli e zavorre
Attività:
•lanciare il primo carrello contro il secondo badando che l’urto avvenga testa a testa: verificare che il primo carrello si
ferma e il secondo parte circa con la stessa velocità
•pesare i carrelli e le zavorre; appesantire il primo carrello con una zavorra e lanciarlo contro l’altro carrello scarico:
osservare e descrivere che cosa succede, stimando a occhio il rapporto fra le velocità dei due carrelli in base alle
distanze percorse prima di fermarsi;
•ripetere la prova con il primo carrello appesantito con due zavorre;
•usare ora il carrello scarico contro il carrello fermo appesantito di una zavorra;
•ripetere la prova con il carrello fermo appesantito con due zavorre;
•lanciare un carrello contro la parete, con la molla in condizioni di riposo (completamente estratta);
•ripetere il lancio con la molla parzialmente caricata.
Concetti:
l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da
una forma all’altra, essere immagazzinata;
- l’energia passa da un corpo all’altro o si trasforma grazie alle forze che
agiscono durante l’interazione
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- il lavoro determina quanta energia è stata trasferita o trasformata
Aspetti didattici:
- le proprietà dell’energia; - trasferimenti di energia; - energia cinetica
Attacco (spunti e continuità):
- analisi di giochi e giocattoli in cui
avvengono urti
Riferimenti (dove, come e per chi):
- A.A.V.V.- Dimmi come funziona – Edizioni
“Il Saggiatore”, 1972
- www.iapht.unito.it
Energia-4a
Energia: i carrelli
direzione dello
spostamento
FAB
La fisica:
• l’energia
- può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una forma all’altra,
- l’energia passa da un corpo all’altro o si trasforma grazie alle forze che agiscono durante l’interazione
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- il lavoro determina quanta energia è stata trasferita o trasformata
B
A
FBA
nota bene: durante l’urto, per il brevissimo tratto (spostamento) in cui i due carrelli sono a contatto, il
carrello B fermo è soggetto a una forza FAB nella direzione dello spostamento, per cui acquista energia,
mentre il carrello A in moto è soggetto a una forza FBA in direzione opposta allo spostamento, per cui perde
energia;
- l’energia trasferita dipende dal rapporto fra le massa dei due carrelli: se il carrello fermo è più pesante, lo
“spostamento” è piccolo e si trasferisce poca energia;
- se l’urto è contro un muro di massa infinita, lo “spostamento” è nullo e non si trasferisce energia (urto
elastico);
- se l’urto avviene con la molla carica e nell’urto la molla si scarica, l’energia immagazzinata nella molla si
trasforma in energia cinetica
Contesto:
- la conduzione dell’attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a
partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare)
- osservazioni più impegnative e l’analisi dettagliata delle forze e del lavoro vanno adattate alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Energia-4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Energia: la scala
Oggetti: contasecondi, metro a nastro
Attività:
•chiedere a uno studente di salire una rampa di scale
•misurare il tempo di salita
•misurare l’altezza degli scalini e quindi calcolare l’altezza della rampa
•disegnare in scala le componenti orizzontale e verticale dello spostamento
•calcolare e disegnare in scala le componenti orizzontale e verticale della velocità
• calcolare il lavoro e la potenza
Sicurezza
Concetti:
• l’energia
- può assumere forme diverse, trasformarsi da una forma all’altra,
essere immagazzinata;
- l’energia si trasforma grazie alle forze che agiscono durante
l’interazione
• il lavoro
- è dato dal prodotto della forza per lo spostamento
- il lavoro determina quanta energia è stata trasformata
• la potenza
- è data dal rapporto fra il lavoro fatto e il tempo impiegato
Nel far salire o scendere le scale, si presti
particolare attenzione nella eventuale presenza
di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di
certi tipi di handicap
Interdisciplinarietà:
• geometria (rappresentazione dei vettori)
Riferimenti (dove, come e per chi):
Aspetti didattici:
- il significato di energia , lavoro e di potenza
- A.A.V.V.- Dimmi come funziona – Edizioni “Il
Saggiatore”, 1972
- www.iapht.unito.it
Energia-5a
Energia: le scale
La fisica:
•spazio, posizione, distanza e sua misura
•tempo, intervallo di tempo e sua misura
•componenti orizzontale e verticale dello spostamento
•componenti orizzontale e verticale della velocità
•il lavoro come prodotto della forza per la sola componente
verticale dello spostamento
•la potenza come rapporto fra lavoro compiuto e tempo
impiegato
•la potenza come prodotto della forza per la componente
verticale della velocità
spostamento
spostam.vert
.
spostam.orizz.
velocità
vel.vert.
vel.orizz.
Contesto:
- la conduzione dell’attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a
partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare)
- osservazioni più impegnative e l’analisi dettagliata delle forze, delle componenti dello spostamento e della
velocità, del lavoro e della potenza vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un
raccordo con la scuola secondaria superiore
Energia-5b