Energia

1. Energia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 • Concetti • forza ed energia; trasformazioni di energia; lavoro per misurare l’energia trasferita • forza ed energia; trasformazioni di energia; lavoro per misurare l’energia trasferita • Trasferimento e trasformazione dell’energia; energia di posizione; lavoro per misurare l’energia trasferita • Trasferimento e conservazione dell’energia; energia cinetica • Trasferimento e conservazione dell’energia; energia cinetica • Trasformazioni di energia; misura dell’energia e della potenza • Attività • Lanciare piccoli oggetti • Lanciare palline in altro modo • Moto di caduta e moto rotatorio • Urti e scambio di energia • Ancora urti • Salire e scendere 1) La fionda 2) La catapulta 3) La giostra a gravità 4) Urti fra carrelli 5) Urti fra monete 6) Le scale V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007” Energia-1

2. Energia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Lavoro = forza · spostamento (L = F · s) 1J = 1N ·1m 1 joule è il lavoro compiuto dalla forza di 1 N che agisce per lo spostamento di 1 m lungo la sua direzione Consegna: tutto quello che si può fare con bastoncini, elastici, cucchiai, molle, monete e …… • 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 spostamentoviene 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 1 watt è la potenza necessaria per compiere il lavoro di 1 J in 1 s Energia-2

3. La fionda Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 dopo prima Fde tratto lungo cui agisce la forza 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) 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 • 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 • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • www.funsci.com • Aspetti didattici: • fare forza per …. ottenere un risultato utile • le molte formedell’energia • la distanza raggiunta nel lancio non dipende solo dalla forza o solo dallo spostamento ma dall’insieme dei due, cioè dall'energia trasferita Energia-3a

4. 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-3b

5. La catapulta Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 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 rapidamenteil cucchiaio 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 • 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 • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • www.funsci.com • Aspetti didattici: • fare forza per …. ottenere un risultato utile • le molte formedell’energia • la distanza raggiunta nel lancio non dipende solo dalla forza o solo dallo spostamento ma dall’insieme dei due, cioè dall'energia trasferita Energia-4a

6. 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-4b

7. La giostra a gravità Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 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) Attacco (spunti e continuità): - richiami ed analisi di situazioni del quotidiano (luna park …) • 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 • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • fare forza per …. ottenere un risultato utile • le molte formedell’energia • le variabili che intervengono nella caduta dei dadi sono: la lunghezza del filo (cioè il dislivello) la massa del dado, la velocità …. Energia-5a

8. 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-5b

9. Urti fra carrelli Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 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 Attacco (spunti e continuità): - analisi di giochi e giocattoli in cui avvengono urti Riferimenti: - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • le proprietà dell’energia; - trasferimenti di energia; - energia cinetica Energia-6a

10. direzione dello spostamento FAB FBA Urti fra carrelli • 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 • 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 B A 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-6b

11. Urti fra monete Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti:alcune monete da 50 centesimi, un foglio di carta a quadretti • Attività: • Tracciare due righe perpendicolari che si incrociano al centro del foglio a quadretti; mettere una moneta sull’incrocio delle due righe e l’altra moneta in “posizione di lancio” all’inizio della riga più lunga; • lanciare con un colpetto del dito la seconda moneta; • misurare sul foglio a quadretti le distanze percorse dalle due monete dopo l’urto; • ripetere la prova sostituendo la prima moneta con una coppia di monete uguali, tenute insieme con una pallina di pongo; • ripetere ancora la prova, ma questa volta sostituire la moneta lanciata con la coppia di monete. Concetti: l’energia - può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una forma all’altra; - una forma importante di energia è l’energia di moto (cinetica); - nell’urto l’energia passa da un corpo all’altro grazie alle forze che agiscono durante l’interazione; - nell’urto viene trasferita anche quantità di moto; - energia e quantità di moto si conservano approssimativamente, a meno cioè delle perdite per attrito. Attacco (spunti e continuità): - analisi di giochi e giocattoli in cui avvengono urti Riferimenti: - A.A.V.V.- Dimmi come funziona – Edizioni “Il Saggiatore”, 1972 - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • le proprietà dell’energia; - trasferimenti di energia; - energia cinetica Energia-7a

12. direzione dello spostamento FAB B A FBA Urti fra monete • 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 • nota bene: durante l’urto,per il brevissimo tratto (spostamento) in cui le due monete sono a contatto, la moneta B ferma è soggetta a una forza FAB nella direzione dello spostamento, per cui acquista energia, mentre la moneta A in moto è soggetta a una forza FBA in direzione opposta allo spostamento, per cui perde energia; • - l’energia trasferita dipende dal rapporto fra le massa delle monete: se la moneta ferma ha la stessa massa, o massa più piccola, c’è un buon trasferimento di energia, perché la moneta colpita acquista rapidamente velocità e lo “spostamento” è buono; se la moneta colpita 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. Contesto: - la conduzione dell’attività come gioco o scoperta qualitativa 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 vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Energia-7b

13. La scala Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 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 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 • 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 • Interdisciplinarietà: • geometria (rappresentazione dei vettori) Riferimenti: - A.A.V.V.- Dimmi come funziona – Edizioni “Il Saggiatore”, 1972 - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • il significato di energia , lavoro e di potenza Energia-8a

14. La scala spostamento spostam.vert. spostam.orizz. velocità vel.vert. vel.orizz. • 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 Contesto: - la conduzione dell’attività come gara o scoperta qualitativa 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-8b