Fisica: secondo e terzo incontro di formazione (19 e 26 Febbraio 2014)

 SCUOLA SECONDARIA 

Dopo la prima lezione introduttiva comune ai tre ordini di scuola, il percorso formativo di fisica prevedeva due incontri di laboratorio didattico distinti per ogni livello scolare.  Noi insegnanti di scuola media siamo stati coinvolti in due esperienze laboratoriali che hanno riguardato la misura e gli errori associati ad essa. Il tema della misura è sicuramente centrale nel processo di insegnamento e sebbene già previsto nella scuola primaria è fondamentale riproporlo al nostro livello scolare con esperienze dirette, attività che non possono essere svolte sul libro di testo o comunque stando seduti nei banchi ma che devono coinvolgere direttamente i bambini nell’utilizzo di comuni strumenti di misura quali bilance, calibro, cronometro. Ciò diventa fondamentale per comprendere come ogni misura nella realtà sia sempre soggetta a errori, anche gli strumenti più moderni non permettono di eliminarli completamente, al massimo di limitarli. La parola “errore” non deve far pensare ad uno sbaglio, ma deve assumere il significato di incertezza da associare alla misura. Nessuna grandezza fisica può essere determinata con precisione assoluta ma è sempre affetta da una incertezza. La precisione della misura e’ data dall’errore di sensibilità dello strumento.

L’approccio operativo del laboratorio ha favorito l’istaurarsi di un clima disteso, collaborativo e di scambio nel quale noi insegnanti ci siamo sentiti i veri protagonisti della lezione. Ci siamo divisi in due gruppi di lavoro e abbiamo svolto due esperienze sotto l’occhio vigile del docente del corso il Dott. Straulino. Un primo gruppo ha eseguito misure dirette e indirette quali misure di massa,volume e densità di solidi e verificata la spinta di Archimede; l’altro gruppo ha eseguito misure di tempo mediante la costruzione di un pendolo. Nel corso del 2^ incontro ciascuno dei due gruppi ha svolto l’esperienza dell’altro.

Attività 1: Misure di massa, volume e densità di solidi

I solidi che avevamo a disposizione erano regolari e irregolari. C’erano cubi di ugual volume ma di materiali diversi quali rame, alluminio e ottone e sassi di forma irregolare.

Per prima cosa abbiamo determinato la misura dello spigolo dei cubi con un righello e poi con un calibro (sensibilità 0,05 cm) e abbiamo così calcolato il loro volume. Abbiamo poi misurato la massa dei cubi con una bilancia digitale con sensibilità 0,1g. Abbiamo infine calcolato il rapporto tra massa e volume osservando che a parità di volume varia la densità che è quindi caratteristica e costante per ogni materiale. Il dott Straulino ci ha fatto notare che l’errore che viene compiuto in una misura diretta si propaga poi alle misure indirette come può essere il volume (gli errori in questo caso vengono sommati).

Per i solidi irregolari avevamo a disposizione alcuni sassi di cui abbiamo misurato la loro massa con una bilancia digitale mentre la misura del volume è stata ottenuta per mezzo di un recipiente contenente acqua. Abbiamo immerso il sasso nel recipiente e abbiamo raccolto in un cilindro graduato la quantità di acqua che fuoriusciva. La misura del volume avviene direttamente tramite la lettura del livello di acqua raccolto e anche l'incertezza sulla misura è data dalla sensibilità della scala graduata. Il volume può essere anche misurato in litri (1 litro = 1 dm³).

Con strumenti comunemente reperibili in qualsiasi laboratorio scolastico si può facilmente osservare e far osservare ai nostri ragazzi ciò che intuì Archimede più di 2000 anni fa cioè che un corpo, entrando in un recipiente pieno d’acqua, fa traboccare una quantità di liquido uguale al volume immerso. Il vantaggio di tale metodo è che la misura di volume può essere fatta anche per solidi irregolari, purché non solubili o danneggiabili in acqua.

Abbiamo infine misurato con il metodo di immersione di Archimede il volume dei cubi per confrontarlo a quello calcolato. Abbiamo costatato che il volume di acqua traboccata non è esattamente uguale al volume calcolato ciò potrebbe turbare i ragazzi ma rientra comunque nell’incertezza sperimentale che avevamo previsto con l’uso degli errori. Ed ecco la necessità di ribadire agli studenti che ogni misura sperimentale deve essere accompagnata dall’errore ed è perciò indispensabile saper individuare la sensibilità dello strumento di misura utilizzato.

Curioso è stato notare che il volume di acqua raccolta si avvicinava molto di più al volume calcolato quando aggiungevamo all’acqua qualche goccia di sapone. Il sapone, infatti, facendo abbassare la tensione superficiale dell’acqua, fa aumentare la bagnabilità dell’acqua stessa che, aderendosi meglio al solido, fuoriesce meno all’esterno.

Attività 2: Misura di tempo e costruzione di un pendolo.

L’esperienza prevedeva la costruzione di un pendolo che avesse un periodo di 1 secondo (entro l’1%) mediante una serie di misure  ripetute del suo periodo.

Abbiamo costruito un pendolo semplice utilizzando un’asta rigida con sostegno alla quale abbiamo attaccato un filo inestensibile alla cui estremità abbiamo fissato una sferetta metallica. Questo sistema apparentemente banale è stato reso celebre dall’impegno sperimentale e teorico profuso da Galileo Galilei che ne ha correttamente descritto la proprietà principale ovvero l’isocronismo.

Dopo aver montato il pendolo lo abbiamo fatto oscillare e con un cronometro (sensibilità 1 centesimo di secondo) abbiamo preso la misura di dieci oscillazioni per quattro volte. Il periodo del pendolo è l’intervallo di tempo impiegato per compiere una oscillazione completa (da sinistra a destra e ritorno) e solo con un po’ di pratica siamo riusciti a eseguire misure piuttosto corrette. Abbiamo così calcolato il valore di ogni singola oscillazione dividendo il valore di ogni singola misura per 10.

Variando la lunghezza del filo e ripetendo la misura del suo periodo siamo giunti dopo alcuni tentativi a tararlo correttamente.

Il periodo del pendolo dipende solo dalla lunghezza del filo e non dalla massa. Fissando all’estremità masse diverse lo abbiamo infatti verificato. Nell’ambito dell’insegnamento della fisica, il laboratorio svolge sia la funzione di scoperta che di verifica e favorisce la comprensione dei concetti e delle leggi fisiche fornendo agli studenti una immagine adeguata della realtà.

La semplicità di questi esperimenti permette di poterli riprodurre facilmente in classe. L’approccio laboratoriale permette ai ragazzi di impadronirsi delle relazioni esistenti in natura tra le varie grandezze fisiche coinvolte, e di arrivare ad una comprensione fisica dei fenomeni osservati.

Docente di matematica e scienze, Scuola secondaria

Laura Zecchini




 SCUOLA PRIMARIA E INFANZIA

Primo incontro
 Materiali:
Pendoli: sfere con foro o con gancio,lenza, sostegno,cronometri, mandrino.
Bilancia:cubi di metallo,cilindrerei di metallo, sassi, calibro, righelli, bilancia 0.1 g, bilancia 0.01 g vaso di troppo pieno, cilindro.
I partecipanti sono stati divisi in due gruppi di lavoro.
Un gruppo ha condotto misure del periodo di oscillazione di un pendolo la cui lunghezza viene decisa dai componenti del gruppo. Di seguito determinazione della migliore stima e dell'incertezza di misura. Inoltre il gruppo ha tentato di costruire un semplice pendolo in grado di battere il secondo con la precisione dell'1 %, cioè 9.9 s <10 T <10.1 s.
L'altro gruppo ha operato con :
- misure di lunghezza e determinazione del volume: misure di volume di oggetti regolari (cubi) con righello e calibro e di oggetti irregolari (sassi) con vasi di "troppo pieno".
- misure di massa e di densità, uso di bilance a diversa Sensibilita (0.1 g; 0,01 g). Calcolo della densità degli oggetti e osservazione e discussione sulla consistenza dei risultati.

Secondo incontro
Sono stati effettuati esperimenti con l'acqua.
In particolare sulla:
-conservazione della massa : abbiamo verificato che dopo aver disciolto 30g di sale in 300 g di acqua il peso dell'acqua non è cambiato perché la massa si è conservata .
-tensione superficiale dell'acqua: immergiamo un fil di ferro circolare nella soluzione di acqua, detersivo e glicerina: bucando con un'asticella il centro del filo posto nel cerchio del fil di ferro, si forma una circonferenza più grande con il filo interno.
-soluzione di acqua e sale per permettere il galleggiamento: in 100 g di acqua aggiungiamo gradualmente il sale iniziando da 10 e poi aumentando di 10 g in 10 g . Dopo i vari tentativi, veifichiamo che occorrono 80 g di sale per far galleggiare un uovo.

Docente di Scuola Primaria
Sabrina Capecchi