Introduzione alla didattica della fisica · Zanichelli (Bologna) 1992 D. Halliday, R. Resnick, J....

Introduzione alla didattica Introduzione alla didattica

della fisicadella fisica

Aurelio Agliolo GallittoDipartimento di Fisica e Chimica

Università di Palermo

TFA - A.A. 2014/2015 Didattica laboratoriale della fisica 2

Testi consigliatiTesti consigliati

A. B. AronsGuida all'insegnamento della fisica, Zanichelli (Bologna) 1992

D. Halliday, R. Resnick, J. WalkerFondamenti di fisica. Meccanica, termologia,

CEA VI Ed. (Milano) 2006


Testi di approfondimentoTesti di approfondimento

J. R. TaylorIntroduzione all'analisi degli

errori, Zanichelli II Ed. (1999)

Focardi, Massa, UguzzoniFisica generale, CEA (1999)

Allasia, Montel, RinaudoLa fisica per maestri,

Cortina (2010)


DifficoltDifficoltàà concettuali e di ragionamento concettuali e di ragionamento nello studio della meccanica (1)nello studio della meccanica (1)

• Lacune fondamentali nella preparazione di base

– Relazioni funzionali: grafici

Per esempio:


DifficoltDifficoltàà concettuali e di ragionamento concettuali e di ragionamento nello studio della meccanica (2)nello studio della meccanica (2)

– Relazioni tra lunghezza, area e volume

Per esempio:fattore di scala 1:1.8V2 = (1.8)3 V1


Cinematica (1)Cinematica (1)

• Eventi e istante di tempo

• Differenza tra posizione e spostamento

Sistema di riferimento

Posizioni della pallina

Intervalli di tempo: differenza tra istanti di tempo successivi

Spostamento: differenza tra posizioni successive



• Descrizione delle leggi cinematiche con grafici

[Arons, 1992]

[Arons, 1992]



• Descrizione delle leggi cinematiche con grafici

– Relazione tra velocità e accelerazione:

se v = 0 non necessariamente a = 0

v s a



• Descrizione delle leggi cinematiche con grafici: corpo in caduta libera nelle varie condizioni iniziali e nei differenti sistemi di riferimento


Legge di inerzia: definizione Legge di inerzia: definizione

qualitativaqualitativa di FORZAdi FORZA

Nota: questa legge afferma anche che se esiste un sistema di riferimento inerziale ne esistono infiniti e sono tutti e solo quelli che si muovono rispetto al primo di moto rettilineo uniforme

Come definire l’azione che fa cambiare il moto di un oggetto?

Per rappresentare le caratteristiche delle azioni che si

esercitano su un corpo da parte dell’ambiente si introduce il

concetto di FORZA.

Le FORZE possono produrre sia effetti dinamici sia deformazioni


Dinamica: come misuriamo la forzaDinamica: come misuriamo la forza

Una molla sollecitata da una forza F di

trazione si allunga, sollecitata da una forza di

o compressione si accorcia.

Se la molla non viene deformata oltre il limite

di elasticità, cioè se la molla non viene

allungata o compressa troppo, la

deformazione x è proporzionale alla forza

applicata

F ∝∝∝∝ x

[Serway, 2009]


La forza La forza èè un vettoreun vettore

[Serway, 2009]


Composizione e scomposizione di Composizione e scomposizione di

vettorivettori

[Serway, 2009]


Somma di vettori:Somma di vettori:regola del parallelogrammaregola del parallelogramma

[Serway, 2009]


Un altro esempio di grandezza Un altro esempio di grandezza

vettoriale: il vettore spostamentovettoriale: il vettore spostamento

[Serway, 2009]


Apparato sperimentale per lo studio Apparato sperimentale per lo studio

delle forzedelle forze

[Ragozzino, 2007]


L'equilibrio delle forze: L'equilibrio delle forze:

il paradosso del il paradosso del ‘‘maggiordomomaggiordomo’’

[Serway, 2009]


II legge della dinamica: II legge della dinamica:

definizione definizione operativaoperativa di FORZAdi FORZA

Nota: Vedere anche “La fisica del PSSC” su YouTube

Se a = costante, anche l’allungamento della molla è costante.Allora, possiamo costruire una scala di forze.

[Arons, 1992]


II legge della dinamica: II legge della dinamica:

definizione definizione operativaoperativa di FORZAdi FORZA

Dal grafico si vede la relazione

di proporzionalità tra F e a

Dal grafico si ottiene quindi la II

legge della dinamica:

F = m a

Se a = costante, anche l’allungamento della molla è costante.Costruiamo il grafico di F vs. a

Nota 1: Evitare la circolarità delle definizioni.

Nota 2: i libri in cui la forza è considerata come un concetto ‘primitivo’ che non necessita di una definizione operativa non sono didatticamente di aiuto per gli studenti.


Peso e massaPeso e massa

Distinguere la MASSA dal PESO.

p.e.

La frase: << 3 kg peso si riferisce a un corpo su cui la terra esercita una forza di 3 x 9.8 = 29.4 N >>


Massa gravitazionale e massa inerzialeMassa gravitazionale e massa inerziale

• La massa inerziale indica la "resistenza" che un corpo oppone alla variazione del suo stato di moto: se applichiamo una stessa forza a due corpi diversi, otteniamo differenti accelerazioni.Possiamo definire la massa inerziale come il rapporto:

m = F/a

• La massa gravitazionale indica la "capacità" che hanno i corpi di attrarsi: la forza che si esercita tra i due corpi è direttamente proporzionale alle masse dei corpi ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (calcolata rispetto ai loro centri di massa)

Qual è il legame fra i due tipi di massa?

L'esperienza mostra che massa inerziale e massa gravitazionale sono legate.Fino ad ora è stato verificato che massa inerziale e massa gravitazionale coincidono (con

grande precisione). Questo risultato non è ovvio, tanto da rappresentare una nuova legge

della natura, che Einstein chiamò principio di equivalenza.


III legge della dinamicaIII legge della dinamica

Questa legge aggiunge un tassello fondamentale e non può

essere ignorata!

1. Occorre fare attenzione alla enunciazione. La seguente: “ad ogni azione corrisponde una reazione”non viene spesso compresa dagli studenti!!!È meglio la seguente: “se un corpo A esercita una forza su un

corpo B, allora il corpo B eserciterà sul corpo A una forza

uguale e opposta”.

2. Forze vincolari: forze passive

3. Diagrammi di forza


Applicazioni delle leggi della Applicazioni delle leggi della meccanica (1)meccanica (1)

Significato di g

� Il simbolo g viene considerato una forza

� Non ha alcun collegamento con l’accelerazione a

� …

Il concetto di vuoto e l’esperimento con la piuma e il sassolino

� Esperimento molto istruttivo per comprendere il ruolo della forza di

gravità e il ruolo dell’aria nei problemi di corpi in caduta libera

� …



Massa e peso: forza peso e forza di contatto

Quando teniamo un oggetto sollevato, “non sentiamo il peso del corpo”

ma “sentiamo la forza di contatto che il corpo esercita su di noi”.

Sebbene queste due forza abbiano la stessa intensità, esse sono forze

differenti (v. figura sopra).



La macchina di Atwood: esperimenti con pesi

uguali ma forma differente


Applicazioni delle leggi della Applicazioni delle leggi della meccanica (4)meccanica (4)Corde e tensione: corde con massa

Definizione di Tensione della fune

La tensione è l’intensità della forza che si

esercita su entrambi i segmenti di fune nella

stessa direzione della tangente alla fune nel

punto considerato. Per questo motivo, la

tensione è una grandezza scalare!

Corde e tensione: corde prive di massa


Problemi di linguaggioProblemi di linguaggio

Esempio 1. L’affermazione: “la forza fa muovere un corpo”tende a rafforzare il concetto aristotelico di moto!Meglio dire: “la forza fa accelerare un corpo”

Esempio 2. L’affermazione: “la forza vince l’inerzia del

corpo” induce negli studenti l’idea che l’inerzia sia una forza!

Esempio 3. Distinguere tra “forze impulsive” e “forze che

agiscono continuamente”.


SitografiaSitografia

� YouTube - La fisica del PSSC: Sistemi di riferimento

� YouTube - La fisica del PSSC: Inerzia e moto (I parte)

� YouTube - La fisica del PSSC: Inerzia e moto (II parte)

� YouTube - Open courses at MIT: Lezioni di meccanica del prof. Walter Lewin

� YouTube Education

�MIT Tech TV: techtv.mit.edu

Software Software didi analisianalisi ((gratuitogratuito))

scidavis.sourceforge.net

www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/


BibliografiaBibliografia

• Allasia, Montel, Rinaudo (2010) La fisica per maestri, Cortina

• A. B. Arons (1992) Guida all'insegnamento della fisica, Zanichelli

• D. Halliday, R. Resnick, J. Walker (2006) Fondamenti di

fisica. Meccanica, termologia, CEA VI Ed.

• E. Ragozzino (2007) Principi di fisica, EdiSES

• R. A. Serway, R. J. Beichner (2009) Fisica, EdiSES

• J. R. Taylor (1999) Introduzione all'analisi degli errori, Zanichelli II Ed

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