Diapositiva 1 - Università degli Studi di Palermo

Transcript

Università degli Studi di Palermo
Scienze della Formazione
Facoltà di
Laboratorio di
Preparazione di Esperienze Didattiche
Prof. Ivan Guastella
Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative
Università degli Studi di Palermo
[email protected]
L’energia
Anno Accademico 2010 - 2011
Laboratorio di
L'energia
2 / 27
La fisica nascosta nel concetto di energia
•
Ci sono molti fenomeni e situazioni della vita quotidiana
in cui è importante imparare a riconoscere le
caratteristiche dell’energia e a riflettere sul suo ruolo per
comprenderne a fondo la fisica nascosta.
•
Il concetto di energia si presta moltissimo ad attività di
tipo esplorativo, proprio perché permea tutta la nostra
vita. Ad esempio, moltissimi giocattoli basano il loro
principio di funzionamento sul trasferimento, sulla
trasformazione e sull’immagazzinamento dell’energia.
Ivan Guastella - Università di Palermo
L'energia
Laboratorio di
3 / 27
Il concetto di energia
•
L’energia è una grandezza molto importante nella vita di tutti i giorni, di cui il
bambino ha una esperienza, per così dire, corporea, associata alle forze
muscolari e al “fare forza per” ottenere un qualche “risultato utile”.
•
Alcune proprietà caratteristiche dell’energia, sulle quali è possibile far
riflettere i bambini sono, ad esempio, le seguenti:
–
–
–
–
–
–
–
–
è qualche cosa che “sta dentro” un corpo e perciò lo caratterizza;
può assumere forme diverse;
si può trasformare da una forma all’altra;
può essere trasferita da un oggetto ad un altro;
può essere immagazzinata;
passando e trasformandosi fa cose utili;
trasferendosi o trasformandosi si conserva (non si crea né si distrugge);
trasferendosi o trasformandosi talvolta si degrada passando da forme più utili
a forme meno utili.
Laboratorio di
L'energia
4 / 27
Ostacoli epistemologici inerenti al
concetto di energia
• Una delle principali difficoltà che i bambini possono
incontrare riguarda la separazione fra i concetti di forza e
di energia.
• Spesso, infatti, questi due concetti vengono, in modo del
tutto naturale, associati nella mente del bambino, perché
entrambi passano attraverso l’uso che il bambino fa della
sua forza muscolare per ottenere un “risultato utile”.
• Al contrario della forza l’energia è un concetto astratto:
non vediamo l’energia, ma gli effetti che essa produce.
Laboratorio di
L'energia
5 / 27
Ostacoli epistemologici inerenti al
concetto di energia
• Anche per i bambini è abbastanza evidente che
il danno prodotto da un oggetto che cade è
maggiore se l’altezza di caduta è maggiore (si
pensi ad un sasso che cade su un piede).
• Tuttavia questa osservazione viene spesso
interpretata nel senso che nella caduta il peso
del corpo aumenta.
L'energia
Laboratorio di
6 / 27
Come introdurre il concetto di energia
•
•
•
Conviene introdurre il concetto di energia
a partire da attività che puntino ad attirare
l’attenzione dei bambini sul fatto che per
ottenere un “buon risultato” non è
importante solo l’intensità della forza
applicata ma occorre qualche cosa di più.
Se ad esempio il buon risultato che si
vuole ottenere nel lancio della pallina con
una fionda è una grande gittata, non basta
applicare una forza molto intensa ma
occorre anche un buon allungamento
dell’elastico.
prima
dopo
F
Tratto lungo cui
agisce la forza
Attraverso l’esplorazione sarà facile per i
bambini scoprire che il risultato non
dipende
separatamente
dalle
due
grandezze ma da entrambe.
L'energia
Laboratorio di
7 / 27
Il concetto di lavoro
•
Una forza intensa ottenuta con un piccolo allungamento dell’elastico è poco efficace
così come lo è una forza debole ottenuta con un grande allungamento dell’elastico.
•
L’ideale è averli entrambi, cioè avere una forza intensa che ha la possibilità di agire
per un lungo tratto.
•
Anche lo sforzo, che il bambino fa per tirare l’elastico, non dipende solo da quanto
intensa è la forza che deve applicare, ma anche da quanto è lungo il tratto per cui
deve applicarla.
•
La grandezza fisica che dipende sia dalla forza che dallo spostamento, cioè dal tratto
per cui la forza è applicata, è chiamata lavoro.
•
Attenzione: il lavoro non è “una forma di energia”, ma un processo con cui l’energia
viene trasferita da un corpo all’altro mediante una forza; se non c'è uno “spostamento”
non c'è lavoro e non si trasferisce energia.
Il lavoro è la grandezza fisica associata al trasferimento di energia
L'energia
Laboratorio di
8 / 27
Il lavoro … un concetto per adulti
•
Con bambini non è ovviamente opportuno introdurre la relazione
quantitativa che connette il lavoro a forza e spostamento, anzi è
meglio non introdurre neppure il termine “lavoro”, dato che, nel
linguaggio quotidiano, la parola ha altri significati e sarebbe
artificioso forzarne l’uso.
L = F& ⋅ s
•
Ciò che può risultare più accessibile ai bambini, rispetto al concetto
di lavoro, è il concetto che, per trasferire energia da un oggetto
all’altro, occorre applicare una forza per un certo tratto.
Il concetto di lavoro in termini di relazione quantitativa tra forza e
spostamento è troppo astratto per essere introdotto a livello di
scuola primaria
L'energia
Laboratorio di
9 / 27
Unità di misura dell’energia
• Proprio perché il lavoro è la grandezza fisica associata
all trasferimento di energia esso fornisce anche il modo
operativo di definirne l’unità di misura.
• Nel SI l’unità di misura dell’energia è il N·m (newton per
metro) cui si dà il nome di joule (J).
• Da un punto di vista operativo 1 joule corrisponde
all’energia trasformata o trasferita quando una forza di 1
newton sposta il suo punto di applicazione per un tratto
lungo 1 metro.
Laboratorio di
L'energia
10 / 27
Misura della variazione di energia
• Diversamente da quanto avviene per la forza,
per cui attraverso un dinamometro si può
procedere ad una misura diretta, per la misura
dell’energia è necessario ricorrere a misure
indirette.
• In particolare si ricorre a trasferimenti e
trasformazioni nei quali, tuttavia, si possono solo
misurare le variazioni di energia.
Laboratorio di
L'energia
11 / 27
Trasferimento trasformazione e
immagazzinamento di energia
•
Nel caso della fionda, ad esempio, l’energia
passa dal bambino (energia muscolare)
all’elastico (energia elastica) per tutto il tratto in
cui il bambino applica la forza all’elastico.
•
È proprio il fatto che il bambino trasferisce
energia all’elastico della fionda che gli dà il
senso dello “sforzo” compiuto.
•
Fino a quando l’elastico resta teso l’energia
resta immagazzinata e disponibile per essere
utilizzata.
•
Quando poi il bambino lascia l’elastico, entra in
azione la forza elastica che l’elastico applica
alla pallina. Anche questa forza compie un
lavoro trasferendo energia dall’elastico (energia
elastica) alla pallina (energia di moto o
cinetica), che parte con una certa velocità.
Una volta teso l’elastico c’è ancora una forza
applicata ma cessa il trasferimento di energia
L'energia
Laboratorio di
12 / 27
Trasferimento trasformazione e
immagazzinamento di energia
•
Uno dei modi di individuare l’energia è
quello di cercare degli esempi in cui
l’energia viene trasferita da una persona
o da un oggetto ad un'altra persona o
oggetto attraverso una forza che agisce
per un certo tratto.
•
Ad esempio, per sollevare un vaso e
metterlo sul tavolo, occorre applicare
una forza uguale e contraria alla forza
peso del vaso, per tutto il tratto dal
pavimento al tavolo. In questo caso
l'energia muscolare si trasforma in
energia di posizione, tipica degli oggetti
che stanno in una posizione elevata.
•
Se il vaso cadesse si avrebbe una
trasformazione da energia di posizione
in energia cinetica.
Fmo
spostamento
Fom
La forza si manifesta quando c’è l’interazione
mentre l’energia è qualcosa che c’era già
prima dell’interazione , perché “stava” nella
mano, e si è trasferita all’oggetto mediante
l’interazione e lo spostamento
Laboratorio di
L'energia
13 / 27
Ma è corretto parlare di trasformazioni di
energia?
•
In realtà, più che delle trasformazioni di energia, dovremmo parlare
delle trasformazioni dei sistemi, spiegate per mezzo del parametro
energia.
•
Dovremmo fare il possibile affinché il concetto di energia sia visto
come unitario e non come tanti sottoelementi che si trasformano
l’uno nell’altro: energia chimica, termica, meccanica, nucleare e poi
cinetica, potenziale, elastica …
•
Questa proliferazione di energie, sarebbe assolutamente da evitare
perché sposta l’attenzione dei bambini verso la memorizzazione dei
vari tipi di energia piuttosto che verso la spiegazione dei fenomeni.
Non trasformazioni di energia ma trasformazioni di sistemi
Laboratorio di
L'energia
14 / 27
La catapulta
•
L’energia si trasferisce dalla mano
che comprime la molla alla molla.
•
L’energia muscolare si trasforma in
energia elastica della molla.
•
Se la molla carica viene, in qualche
modo, bloccata l’energia elastica
resta immagazzinata nella molla
fino a quando non si deciderà di
usarla.
•
Se si elimina il blocco l’energia
immagazzinata
viene
resa
disponibile nella forma di energia
cinetica del moto della pallina.
Trasferire
Trasformare
Immagazzinare
Laboratorio di
L'energia
15 / 27
La conservazione dell’energia
•
Altra caratteristica importante dell’energia è la conservazione, l’energia cioè non si
crea né si distrugge.
•
Questo è sostanzialmente un “atto di fede”, basato sul fatto che la conservazione
dell’energia è stata verificata in innumerevoli esperimenti, alcuni molto accurati e
sofisticati.
•
Ad esempio, in una palla da tennis che rimbalza, l’energia si trasforma da energia di
posizione a energia cinetica (durante la caduta), da energia cinetica a energia elastica
(quando tocca terra), per tornare a energia cinetica (quando la palla rimbalza) e infine
a energia di posizione (durante l’ascesa). Alla fine di tutte queste trasformazioni
l’energia di posizione è molto simile a quella iniziale, dato che la palla ritorna circa alla
stessa altezza.
•
In effetti, essa non ritorna mai esattamente alla stessa posizione; infatti, dopo un certo
numero di rimbalzi si vede chiaramente che la palla perde energia, perché i suoi
rimbalzi la portano sempre meno in alto. Dove finisce l’energia apparentemente
“persa”? Finisce, come vedremo, in un’altra forma di energia, meno utile di quelle
viste in precedenza, chiamata energia termica, perché si manifesta con un aumento di
temperatura.
L'energia
Laboratorio di
16 / 27
La didattica
•
Gli aspetti didattici riguardano principalmente i seguenti punti:
– Il contesto
– Gli obiettivi
– Le modalità di conduzione
– I materiali
– Il quaderno di laboratorio
– La valutazione
•
I punti sopra elencati vengono di seguito esplorati in modo dettagliato.
L'energia
Laboratorio di
17 / 27
Il contesto
•
Per quanto riguarda il contesto occorre tener presente che:
– le attività devono essere ben inserite nelle altre attività della classe;
– per l’introduzione o attacco è bene essere pronti a sfruttare eventi casuali, giochi,
aspetti connessi alla vita quotidiana. Si può anche suscitare il problema ma
sempre legandolo ad aspetti che siano familiari ai bambini;
– Il livello scolare:
• alcune attività molto semplici sull’energia sono adatte anche a bimbi di scuola
dell’infanzia o del monoennio/primo biennio ciclo, perché la percezione del “far forza
per” è molto precoce, essendo associata a quella del “far forza su”, di cui abbiamo
discusso a proposito di forze;
• per gli aspetti più avanzati, quali la separazione del concetto di forza da quello di
energia è bene aspettare un secondo biennio.
L'energia
Laboratorio di
18 / 27
Gli obiettivi
•
Per quanto riguarda gli obiettivi occorre tener presente che essi:
– dipendono dal contesto (ad esempio, dal livello scolare);
– devono essere specifici dell’attività svolta che è bene che miri solo a
pochi aspetti per poterli svolgere con una certa incisività. Ad esempio:
• si può scegliere solo l’aspetto “trasformazione” dell’energia, con l’obiettivo
principale di individuare diverse forme dell’energia, badando a capire su
quale base esse sono state riconosciute (ad esempio perché si è
riconosciuta l’azione di una forza nota, quale la forza elastica o la forza
peso);
• con i più grandi, si può andare oltre e mirare a identificare specifiche
grandezze fisiche, ad esempio, la forza o la lunghezza o l’altezza,
eventualmente misurandole, in modo che un’attività sull’energia abbia anche
come obiettivo un rafforzamento della procedura di riconoscimento e di
misura di grandezze già note.
Laboratorio di
L'energia
19 / 27
Obiettivi riferiti allo sviluppo
dell’intelligenza
• Gli obiettivi devono essere riferiti al quadro generale di
sviluppo dell’intelligenza. In particolare si può:
– nella fase della conoscenza e memoria:
• fare emergere ciò che i bambini già sanno, per esperienza di vita
quotidiana, sull’energia, sul come la si percepisce e confronta;
– nella fase del pensiero divergente:
• stimolare la scoperta dell’energia nelle sue diverse forme,
l’esplorazione dei trasferimenti e delle trasformazioni di energia nei
giochi, giocattoli e cose della vita quotidiana;
Laboratorio di
L'energia
20 / 27
Obiettivi riferiti allo sviluppo
dell’intelligenza
– nella fase del pensiero convergente:
• stimolare le attività di analisi delle grandezze fisiche
importanti (forza e spostamento) che intervengono nel giocattolo o
nel fenomeno di cui si sta studiando l’aspetto “energia”;
– nella fase del pensiero critico:
• sviluppare la capacità di riflettere sugli aspetti cruciali, ad esempio
capire se il giocattolo funziona sul principio del passaggio o della
trasformazione o dell’immagazzinamento di energia, oppure
esaminare come il giocattolo potrebbe essere migliorato per
funzionare meglio. Molto utili sono anche i giocattoli che non
funzionano poiché possono stimolare a capire perché non
funzionano o come fare a ripararli.
L'energia
Laboratorio di
21 / 27
Obiettivi generali
•
Gli obiettivi generali vanno calati sui vari livelli:
– a livello cognitivo:
• individuare la grandezza energia in base a trasformazioni o passaggi;
• capire che passaggi e trasformazioni di energia permettono di ottenere dei
“risultati utili”;
• capire che forza ed energia sono grandezze fisiche diverse;
– a livello operativo:
• far funzionare e possibilmente costruire giocattoli istruttivi sotto l’aspetto
“energia”;
• essere capaci di misurare grandezze fisiche, quali forze e spostamenti,
legate all’energia;
L'energia
Laboratorio di
22 / 27
Obiettivi generali
– a livello logico:
• individuare le diverse forme, i passaggi e le trasformazioni di
energia;
• separare i concetti di energia e di forza;
• correlare l’energia con altre grandezze;
– a livello espressivo/grafico:
• descrivere
le
caratteristiche
dell’energia presenti
nel
giocattolo studiato o nell’attività svolta, usando termini appropriati;
• registrare eventuali misure di grandezze fatte nell’attività,
esprimendo ciascuna mediante il numero e la corretta unità di
misura.
L'energia
Laboratorio di
23 / 27
Le modalità di conduzione
•
Per quanto riguarda le modalità di conduzione occorre tenere
presente che:
– in una prima fase l’attività va lasciata condurre quanto più è possibile ai
bambini, e l’insegnante si limiterà a svolgere un semplice ruolo di
moderatore, raccogliendo e organizzando proposte e suggerimenti
provenienti dai bambini. Solo in un secondo momento l’insegnante potrà
provvedere a una eventuale formalizzazione dei saperi emersi;
– ci deve sempre essere un ampio coinvolgimento degli allievi ed è
fondamentale che tutti partecipino attivamente svolgendo ciascuno il
proprio ruolo;
– può essere altamente istruttivo e formativo programmare attività in cui
viene richiesto ai bambini di costruire un certo tipo di giocattolo utile per
iniziare un discorso sull'energia (ad esempio, la catapulta);
L'energia
Laboratorio di
24 / 27
Le modalità di conduzione
– per quanto riguarda il linguaggio, nel caso dell’energia, bisogna badare a non
forzare l’uso della parola “energia” fin dall'inizio, ma lasciare che il bambino
descriva con parole proprie ciò che osserva effettivamente. Non è importante che
il bambino sappia ripetere, più o meno mnemonicamente, che “dell’energia è
passata e si è trasformata”, ma è più importante che il bambino sappia descrivere
ciò che ha osservato in termini di grandezze fisiche. Ad esempio:
• che per allungare l’elastico della fionda si deve “tirare”, cioè applicare una forza;
• che l’elastico teso riesce a lanciare la pallina, acquisendo una “capacità” che prima non
possedeva;
Solo quando questa fase è assodata, si può passare a usare sinteticamente la
parola “energia” per indicare rapidamente questa “capacità” che si è trasferita dal
braccio del bambino all’elastico;
– l’obiettivo è di arrivare a capire che c'è “qualche cosa di più” della sola forza,
perché è anche importante il tratto per cui la forza è applicata, e che le due
grandezze insieme (forza e spostamento) sono quelle che determinano la
capacità di ottenere il “risultato utile” che si desidera.
L'energia
Laboratorio di
25 / 27
I materiali
• Per quanto riguarda i materiali da adoperare nel corso
dell’attività occorre tenere presente che:
– la scelta va fatta con una certa cura, tenendo conto delle
condizioni di sicurezza;
– essi vanno, preferibilmente, cercati fra gli oggetti familiari a
bambini che devono essere sempre incoraggiati a partecipare
attivamente alla realizzazione dell’attività, ricordando che
l’appropriazione è parte fondamentale del processo di
apprendimento.
L'energia
Laboratorio di
26 / 27
Il quaderno di laboratorio
•
Per quanto riguarda Il quaderno di laboratorio occorre tenere presente che:
– sul fronte allievo:
• vanno annotati aspetti salienti, ipotesi, congetture, procedure, disegni, grafici, misure, …
(ad esempio, quali grandezze fisiche ha individuato, quali “capacità di fare” ha
identificato in una certa situazione o in un certo giocattolo);
– sul fronte docente:
• il “diario di bordo” deve riportare la progettazione (scelta dei materiali (rigidità degli
elastici o delle molle), misure eseguite, …);
• le modalità di conduzione con il relativo razionale delle scelte operate (gioco,
simulazione, esperimento, domande aperte, …);
• le modalità di valutazione.
L'energia
Laboratorio di
27 / 27
La valutazione
•
Per quanto riguarda la valutazione occorre tenere presente che:
– deve riguardare solo pochi aspetti specifici relativi al concetto di energia;
– sul fronte allievo:
• verificare se il bambino identifica correttamente le grandezze che intervengono, come
forze e spostamenti, dando alle forze il nome corretto;
• verificare se i bambini hanno acquisito la prassi di esprimere correttamente le misure
fatte specificando, oltre al numero, l’unità di misura usata;
• verificare se separano correttamente i concetti di forza e di energia esprimendo
ciascuna grandezza con le relative unità di misura;
– sul fronte docente:
• va valutata l‘offerta didattica, ovvero, la scelta, la preparazione, l’attacco, il linguaggio, la
conduzione dell’attività, l’adeguatezza dei materiali usati, la riuscita generale.

Diapositiva 1 - Università degli Studi di Palermo

Transcript

Documenti analoghi

questo link - Società Italiana di Fisica

iv anniversario della morte del cardinale salvatore pappalardo

Mafia Pulita Elio Veltri e Antonio Laudati

Il Potere tra Corruzione e Bene Comune

#28 PNSD STARTS NOW - Animatori Digitali Sicilia

determina n 10 presidente

Educazione, Differenze di genere, Scuola

circolare 32 orienta sicilia del 24.10.2014