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1. Problema Un viaggiatore si reca al bar della stazione e chiede un t bollente e un poco di latte freddo Il viaggiatore ha pochi minuti a disposizione e pu scegliere tra versare subito 1l latte freddo e aspettare che la miscela raggiunga una temperatura accettabile oppure aspettare e versare il latte quando 1l t si gi un po raffreddato spontaneamente Cosa gli conviene fare per non scottarsi e tuttavia non perdere 11 treno Generalizziamo Se s1 vuole raffreddare un liquido caldo versandovi una certa quantit di liquido freddo si raggiunge pi velocemente 1l risultato voluto se si mescolano 1 due liquidi 1l pi presto possibile o conviene aspettare un po di tempo prima di mescolarli Scopo dell esperienza Risolvere 11 problema per via sperimentale confrontando l andamento nel tempo della temperatura nelle due situazioni proposte Strumenti e materiali utilizzati 1 CBL TI 39 Calcolatrice grafico simbolica TI 89 j CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 2 sensori di temperatura r 2 bicchieri uguali 2 quantit uguali di acqua bollente 1l t 2 quantit uguali di acqua a temperatura ambiente il latte Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediant
2. S Noi abbiamo ottenuto questo grafico secondo disegno dove la temperatura non rimane mai costante Il fatto che hanno scelto un tempo troppo breve se avessero continuato avrebbero visto il fenomeno Sono partiti da una temperatura troppo alta e quindi il tempo non stato sufficiente per vedere il passaggio di stato Curioso Un altro gruppo ha trovato un grafico diverso e E lo disegna alla lavagna non essendo riuscito a salvarlo sulla calcolatrice Secondo noi finch agisce il ghiaccio la T dell acqua si raffredda e poi raggiunge un minimo che corrisponde alla temperatura di equilibrio e poi la temperatura risale perch sono nell ambiente e quindi ad una temperatura di circa 20 C La curva di E un po pi strana ma il gruppo non ha letto correttamente la scheda dimenticandosi di utilizzare la provetta L interpretazione data da E quindi corretta ma hanno sbagliato l esperimento Esperimento 2 Fir F F4 FEr Fr F7 Fir F F4 FEr F r F7 Fir F F4 FEr Fr F7 Tols Tracefkx3raphftath bDrguwi Fen Too Tracefkx3raphftath Deguwi Fen Too Tracefkx3raphftMath bDeauwi Fen T T E T BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC S L alcool si riscalda pi in fretta dell acqua e a circa 70 C si ferma e poi evapora tutto La temperatura di evaporazione diversa per i due liquidi Anche finch si stanno scaldando la temperatura di conduzione diversa per le due sostanze per il calore specific
3. Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 600 secondi confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI amp ionamentot GHI Da S CAMPIONI 120 DURATA ACQUISIZIONE TOTALE 6 E HECHT I LICIA TYFE OK USE T4 ENTER OR ESC Nella finestra in cul si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione Scegliere l opzione che si preferisce facendo attenzione per che nel primo caso possibile che l acquisizione termini prima di essere giunti alla sosta termica in corrispondenza del passaggio di stato dell acqua da liquido a solido nel secondo caso necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per il segnale nonch il fattore di scala si possono prendere per esempio 1 valori 5 25 1 Confermare la scelta premendo ENTER e 1l sistema pronto per l acquisizione del dati vera e propria 21 z EE Pe FE Ri ALR PrA pR RSS n i Dalai LT VI DAFT ET 1 DOPO ACUTI ULRAR HLA QUAHOO TEACCIO TYFE DR USE gt t4 ENTER DR ESC Premere ENTER per far partire l acquisizione dati predisposta Se stata scelta la modalit DOPO ACQUISIZIONE sulla calcolatrice appare la scritta IN CORSO DI ACQUISIZIONE e in basso a destra la scrit
4. ampiezza per pendoli con stessa massa ma diversa lunghezza dell asta 57 cm square e 36 cm box SI E possibile far studiare ai ragazzi l andamento dell energia cinetica potenziale e totale del pendolo Feat Pi Figura 4 Andamento dell energia cinetica potenziale e totale in funzione del tempo Studio di componenti elettrici non lineari La legge di Ohm definisce la grandezza resistenza elettrica come rapporto tra la tensione al capi di un elemento conduttore e la corrente che lo attraversa Questa definizione ovviamente vale solo se tale rapporto non dipende n dal verso della corrente n dalla sua intensit o dalla frequenza nel caso si tratti di corrente alternata Nei circuiti che compongono 1 dispositivi usati nella vita quotidiana sono sempre presenti componenti non lineari che non obbediscono alla legge di Ohm ma lo studio sperimentale del loro comportamento non frequente nei corsi tradizionali che di solito si limitano a verifiche qualitative delle caratteristiche raddrizzanti del diodi E invece possibile presentare una proposta di percorso didattico che offre uno studio quantitativo di diversi componenti non lineari Si studiano dapprima le funzioni di trasferimento di partitori di tensione alimentati con corrente alternata costituiti da una resistenza in serie all elemento non lineare in esame con il termine funzione di trasferimento si intende il grafico della tensione di usci
5. che si propone di estendere l uso delle calcolatrici grafiche con sistemi RTL per l insegnamento di fisica biologia e fisiologia nella scuola I vantaggi del sistema RTL realizzato con calcolatrici grafiche La facilit d uso del sistema permette agli alunni di sfruttare in maniera intelligente le risorse informatiche senza troppa fatica consentendo loro di focalizzare l attenzione esclusivamente sul problema connesso al fenomeno oggetto di studio La portabilit legata alle dimensioni ridotte del sistema completamente autoalimentato ne permette l utilizzo ovunque anche in luoghi normalmente considerati inadatti alla didattica sperimentale l La possibilit di proiettare lo schermo della calcolatrice su una parete dell aula mediante un data display autoalimentato e una lavagna luminosa non richiede neppure l aiuto di un tecnico di laboratorio La rapidit con cui tale sistema pu acquisire 1 dati consente un notevole risparmio di tempo nell organizzazione delle attivit sperimentali La calcolatrice grafica consente anche di ottenere rappresentazioni grafiche di fenomeni durante la loro evoluzione temporale Il linguaggio di programmazione di cui dotata la TI 89 consente di realizzare programmi semplici ma significativi gestendo la calcolatrice in base alle proprie esigenze E possibile scaricare ed installare 1 programmi gi pronti da web da computer o da altra calcolatrice grafica Tale software di
6. e premere ENTER per conferma Premere nuovamente ENTER per salvare le Impostazioni Il software fornisce l equazione della retta dei minimi quadrati il coefficiente di correlazione e il suo quadrato Un coefficiente di correlazione molto vicino a 1 indica l esistenza di una relazione lineare tra 1 valori delle colonne c3 e c4 Dopo aver premuto ENTER premere ed F3 per visualizzare la retta dei minimi quadrati insieme ai dati sperimentali 18 Scheda n 2 Scopo dell esperienza Introdurre lo studio sul comportamento delle sostanze durante gli scambi di energia termica 1 esperimento osservare il passaggio di stato in relazione con la temperatura del sistema analizzato raffreddando l acqua 2 esperimento trovare il grafico temperatura in funzione del tempo riscaldando una certa quantit di acqua determinare la temperatura di ebollizione di una sostanza confrontare grafici di riscaldamento di pi sostanze osservare che durante l ebollizione di una soluzione la fase solida aumenta individuare una possibile tecnica di separazione delle soluzioni 3 esperimento analizzare il comportamento di alcune sostanze volatili Strumenti e materiali utilizzati Calcolatrice grafico simbolica TI 89 CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 Poi a seconda degli esperimenti vengono utilizzati 1 esperimento sensore di temperatura provetta acqua miscela refrigerante di ghiaccio e sale 2 esperimento 2 sensori
7. possibile che l acquisizione termini prima di essere giunti alla temperatura di ebollizione nel secondo caso necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per 1l segnale nonch il fattore di scala si possono prendere per esempio 1 valori 20 110 1 Confermare la scelta premendo ENTER e 1l sistema pronto per l acquisizione dei dati vera e propria Premere ENTER per far partire l acquisizione dati predisposta 23 Se stata scelta la modalit DOPO ACQUISIZIONE sulla calcolatrice appare la scritta IN CORSO DI ACQUISIZIONE e in basso a destra la scritta BUSY se stata scelta la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare il grafico temperatura in funzione del tempo Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura rispettivamente nella lista L2 per la sonda collegata al canale 1 del CBL e nella lista L3 per la sonda collegata al canale 2 del CBL Premendo ENTER possibile scegliere quale variabile vedere disegnata in un grafico in funzione del tempo la temperatura rilevata dalla prima sonda la temperatura rilevata dalla seconda sonda entrambe le temperature Scegliere la voce 3 ENTRAMBI per confrontare 1 grafici di riscaldamento delle due sostanze Premendo l opzione ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si s
8. acqua l elettromagnetismo carica scarica di condensatore e induttanza filtri risonanza RLC studio di elementi non lineari e di dispositivi opto elettronici Alcuni di questi esperimenti sono utilizzati comunemente nelle scuole secondarie ma con 1l sistema qui proposto sottolineo un modo nuovo di eseguirli Ad esempio accanto allo studio dell oscillatore armonico possibile affrontare quello dell oscillatore anarmonico oltre al classico moto di una massa puntiforme senza attrito si pu studiare il moto di un reale carrello dotato di ruote massive e di attrito accanto allo studio della curva di raffreddamento dell acqua si pu studiare la curva di raffreddamento di un foglio di alluminio invece della tradizionale analisi con l oscilloscopio della funzione risposta di un circuito RLC si possono misurare direttamente le curve di risonanza ai capi di R di L e di C E possibile affrontare con il sistema RTL proposto anche la sperimentazione di argomenti meno tradizionali quali lo studio di dispositivi non lineari diodi celle fotovoltaiche termistori fotoresistenze sla in regime stazionario che in transiente Gli esperimenti indicati vogliono essere esempi non esaustivi ma tuttavia efficaci nell indicare le potenzialit del metodo che bene si presta per un insegnamento flessibile e poco prescrittivo La meccanica ed in particolare il piano inclinato normalmente il primo argomento che viene affronta
9. acqua usate sono le stesse come mai le due curve non risultano perfettamente simmetriche Questo fatto si pu interpretare tenendo conto che in realt gli scambi temici non avvengono tra due oggetti ma tra tre perch bisogna considerare anche 1l contenitore Se il sistema fosse perfettamente adiabatico tutto il calore ceduto dal corpo inizialmente a temperatura superiore verrebbe acquistato dal corpo inizialmente a temperatura inferiore 33 Scheda n 5 Realizzazione di una trasformazione isoterma dell aria contenuta in una siringa Scopo dell esperienza Ricercare la relazione tra pressione e volume per un gas mantenuto a temperatura costante Strumenti e materiali utilizzati Calcolatrice grafico simbolica TI 89 CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 Sensore di pressione Vernier con siringa da 20 cm Cavetto adattatore Il gas l aria racchiusa nella siringa Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e il CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciar
10. assieme ai ragazzi che durante 1 40 secondi di questa misura l ampiezza cala sensibilmente pi del 50 ma il periodo misurato resta sostanzialmente costante Fir F3 F4 For Fr Fir F3 F4 For Fr Tools Trace h lt 3Faeh DrauiPen Tools Trace k lt 3FaFeh DrauFen LA LAMA ie TITO Minii A E MAIN RAD ENACT FUNE MAIN RAD ENACT FUNE Figura 8 Andamento delle oscillazioni in funzione del tempo Si vede che il sistema tende seppur lentamente a smorzarsi Possiamo ricavare che tale andamento di tipo esponenziale interpolando i massimi delle ampiezze delle oscillazioni successive Studio del moto del pendolo a piccole e grandi elongazioni Fotenziome to CBL 50 Figura 9 Schema dell apparato sperimentale per lo studio del pendolo Inclinando il pendolo ad un grande angolo e lasciandolo libero si d inizio all acquisizione Affidando alla calcolatrice anche 1 calcoli della velocit e dell accelerazione si ottengono delle schermate di questo tipo Fir F3 F4 FEr Fr FP Fir F3 F4 FEr Fr F7 Fir F3 F4 FEr Fr Fr Togs Trace f lt IraFhftMath bDreaw Fxn Tools Trace f lt IraFhftiath bDreaw Fxen Toolz Tracs f lt I3raFhftath bDreaw Fxen A Pi si X PI LIMANA Li RZ E Cari x x05 1 OA uc 5655 FIA UFE PETN DR TYFE LEFT A UFE PETN DR TYFE ESC AEE UFE gt t4 OR TYFE ESC CANCEL Figura 10 Andamento dell angolo della velocit e dell accelerazione angolare in funzione del tempo Si pu fare co
11. l attivit L attivit pu essere estesa aumentando il numero di schede da consegnare ai ragazzi inerenti sempre ad argomenti di termologia Oppure mantenendo le schede date possibile prevedere uno studio quantitativo sfruttando le calcolatrici grafiche e in particolare 12 l ambiente Data Matrix Editor o anche utilizzando un PC E infatti possibile trasferire 1 dati mediante la predisposizione per 1l collegamento con un computer salvando 1 file degli esperimenti eseguiti copiare direttamente le schermate della calcolatrice o ancora stampare 1 grafici Successivamente si potr fare un analisi dei dati per esempio a casa utilizzando EXCEL E possibile attraverso un qualsiasi motore di ricerca individuare diversi siti che trattano argomenti di fisica ma anche di matematica di biologia di chimica con l uso di queste tecnologie Vi sono ricerche didattiche sull uso delle calcolatrici grafiche nella scuola in corso da tempo presso varie universit italiane e non nell ambito di associazioni varie come I Associazione per la Didattica con le Tecnologie ADT o l Associazione degli Insegnanti di Fisica AIF Vi sono poi progetti internazionali come 11 progetto L E P L A Le nuove tecnologie informatiche hanno un impatto notevole sui giovani studenti abituati ad usarle con una certa naturalezza anche in modo poco adeguato nonostante tutto 11 tempo che ad esse dedicano ma usate intelligentemente possono com
12. possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione E consigliabile scegliere la seconda opzione per osservare in tempo reale l andamento della temperatura dell acqua registrata dai due sensori E necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per il segnale nonch il fattore di scala s1 possono prendere per esempio 1 valori 18 30 1 Confermare la scelta premendo ENTER e il sistema pronto per l acquisizione dei dati vera e propria Premere ENTER per far partire l acquisizione dati predisposta Con la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare 11 grafico temperatura in funzione del tempo Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura rispettivamente nella lista L2 per la sonda collegata al canale 1 del CBL e nella lista L3 per la sonda collegata al canale 2 del CBL Premendo ENTER possibile scegliere quale variabile vedere disegnata in un grafico in funzione del tempo la temperatura rilevata dalla prima sonda la temperatura rilevata dalla seconda sonda entrambe le temperature Scegliere la voce 3 ENTRAMBI per confrontare 1 grafici della temperatura nelle due situazioni considerate 32 La schermata successiva indica con quale segno grafico verranno indicati 1 dati sperimentali delle due acquisizio
13. sull attivit svolta Da qui poi l insegnante parte per introdurre la teoria eventuali compresenze nessuna tipologia del progetto curricolare livelli di competenza in entrata si suppone che siano gi stati affrontati e compresi e assimilati dagli alunni 1 temi inerenti la temperatura e la propriet dei corpi e i livelli attesi la consapevolezza della possibilit di descrivere in termini di trasformazioni fisiche e chimiche molti eventi osservabili anche al di fuori dei laboratori scolastici la capacita di osservare in modo sistematico di raccogliere dati e di esaminarli criticamente la capacit a cogliere ed apprezzare l utilit del confronto di idee e dell organizzazione del lavoro di gruppo la comprensione dei procedimenti caratteristici dell indagine scientifica che si articolano in un continuo rapporto tra costruzione teorica e attivit sperimentale il periodo dell anno scolastico in cui l attivit si inserisce prima di trattare la teoria inerente la calorimetria e 1 passaggi di stato quindi approssimativamente fine primo quadrimestre inizio secondo GUIDA PER IL DOCENTE Titolo del tema 10 Esperimenti di termologia con un approccio innovativo Inquadramento sintetico delle conoscenze oggetto dell attivit L attivit si propone di introdurre alcuni concetti di termologia partendo dalla sperimentazione sfruttando un particolare tipo di RTL portatile costituito da una calcolatrice g
14. una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 5 secondi e 120 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 600 secondi confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione E consigliabile osservare 1 grafici in tempo reale ma in questo caso necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per il segnale nonch il fattore di scala s1 possono prendere per esempio 1 valori 15 25 1 25 Confermare la scelta premendo ENTER e 1l sistema pronto per l acquisizione del dati vera e propria Premere ENTER per far partire l acquisizione dati predisposta Se stata scelta la modalit DOPO ACQUISIZIONE sulla calcolatrice appare la scritta IN CORSO DI ACQUISIZIONE e in basso a destra la scritta BUSY se stata scelta la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare 11 grafico temperatura in funzione del tempo Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi ne
15. C 100 cm di acqua tiepida per esempio ad una temperatura di 30 C Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 Modalit Versare dentro 1l thermos una certa quantit di acqua tiepida per esempio 100 cm e immergervi una sonda di temperatura Riempire il palloncino con la stessa quantit d acqua fresca presa dal frigorifero se il thermos ha un imboccatura stretta occorrer riempire 1l palloncino quando esso si trova gi all interno del thermos Inserire la seconda sonda di temperatura all interno del palloncino e quindi chiuderlo con un elastico in modo che l acqua rimanga confinata all interno del palloncino Adagiarlo poi sul fondo del thermos Chiudere il thermos con un panno o con un tappo di sughero bucato per far uscire le sonde Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e il CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compa
16. E selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 2 secondi e 200 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 4 x 10 secondi confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione Per seguire sul display della calcolatrice l andamento della temperatura durante 11 raffreddamento consigliabile scegliere la seconda opzione E necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per 11 segnale nonch il fattore di scala si possono prendere per esempio come valore minimo la temperatura ambiente circa 20 C come valore massimo una temperatura di poco inferiore a quella dell acqua bollente 90 C e 1 come fattore di scala Confermare la scelta premendo ENTER e 1l sistema pronto per l acquisizione del dati vera e propria Premere ENTER per far par
17. Scuola di specializzazione interateneo per la formazione degli insegnanti di scuola secondaria Indirizzo Fisico Informatico Matematico Tesina di tirocinio IL LABORATORIO DI FISICA CON ACQUISIZIONI DATI IN TEMPO REALE RTL Supervisore CACCIATORE PIETRO Tutor MADDALOZZO ANTONELLA Specializzando FARRONATO MICHELA Matricola R02887 Classi di abilitazione A038 Fisica A049 Matematica e Fisica Anno Accademico 2003 2004 Indice Motivazione del laboratorio e del lavoro di grUuppo iii 4 Motivazione e articolazione della proposta del laboratorio di fisica con sistema di acquisizione dati in tempo reale RTL ii 5 I vantaggi del sistema RTL realizzato con calcolatrici grafiche ii 6 LA Fappresentauione SIUICO ricrea anta siae 7 PO OTSO ee E S silicio N 7 E esperienza ae 1F0CIMNOdIreio ridi 6 La classe Alcune considerazioni Una scheda informativa con guida al docente iii 10 Come impostare il lavoro sull esperimento del t al latte ii 13 be sSchede CIENO lO T A enas A ai a 15 Raffreddamento di un corpo Esperimenti di termologia Dilatazione termica il comportamento anomalo dell acqua Equilibrio termico Realizzazione di una trasformazione isoterma dell aria contenuta in una siringa Raffreddamento Il t al latte CONTUSION ecnin e lai dilaga aste 42 Alcuni dei grafici ottenuti dai vari gruppi della classe 3 F del li
18. TER per far partire l acquisizione dati predisposta 28 Con la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare il grafico temperatura in funzione del tempo Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura rispettivamente nella lista L2 per la sonda collegata al canale 1 del CBL nella lista L3 per la sonda collegata al canale 2 del CBL nella lista LA per la sonda collegata al canale 3 del CBL Premendo ENTER possibile scegliere quale variabile vedere disegnata in un grafico in funzione del tempo la temperatura rilevata dalla prima sonda la temperatura rilevata dalla seconda sonda la temperatura rilevata dalla terza sonda tutte tre le temperature Scegliere la voce 4 TUTTI per confrontare 1 grafici della temperatura nel tre diversi livelli di profondit La schermata successiva indica con quale segno grafico verranno indicati 1 dati sperimentali delle tre acquisizioni Premendo l opzione ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Salvare i dati raccolti A questo punto si pu richiedere il salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal MENU PRINCIPALE La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA
19. TODO 2 Determinare la costante PV k La proporzionalit inversa tra due grandezze infatti pu essere verificata calcolando se il loro prodotto resta costante Uscire dal programma physics scegliendo dal MENU PRINCIPALE l opzione 8 ESCI da PHYSICS Analizzare 1 dati su un foglio elettronico entrando nell ambiente DATA MATRIX EDITOR Premere 11 tasto APPS applications selezionare l opzione 6 Data Matrix Editor e quindi l opzione 1 Current Nella foglio elettronico compaiono 1 valori del volume nella prima colonna e quelli della pressione nella seconda Nelle celle immediatamente sopra le due celle cl e c2 si possono scrivere le intestazioni per esempio V cm3 e P kPa Nella colonna c3 inserire 1 valori del prodotto PV posizionandosi nella cella c3 e digitando c2xcl1 I valori del prodotto sono approssimativamente costanti Per determinare il valore medio x e la sua deviazione standard premere F5 selezionare l opzione OneVar nella riga Calculation Type e digitare come unica variabile x la colonna c3 quindi premere ENTER Osservazione Per una conferma dell ipotesi di proporzionalit inversa tra volume e pressione 1 valori del prodotto PV dovrebbero mantenersi costanti invece diventano via via pi piccoli diminuendo il volume Perch succede questo METODO 3 Ricercare una relazione lineare La proporzionalit inversa tra due grandezze infatti pu essere verificata controllando se esiste una propor
20. a di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e 11 CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE Predisposizione sonda Confermare l opzione evidenziata 1 PREDISPOSIZIONE SONDE premendo 1l tasto ENTER Scegliere l opzione 2 DUE per poter utilizzare due sonde di temperatura e premere ENTER per conferma A questo punto si devono indicare 1 tipi di sensore che si intendono utilizzare Premere 8 ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA per la prima sonda Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CH1 del CBL Ripetere la scelta delle opzioni 8 ALTRO e 6 TEMPERATURA e connettere 1l secondo sensore al canale CH2 del CBL Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad
21. adottare forme molteplici di attivit didattica esplicitate in una molteplicit di metodi di lavoro e di strumenti sussidi da usare nel lavoro con gli studenti Per quanto riguarda 1 metodi alla lezione frontale devono accompagnarsi fasi di discussione in classe ricerca e sperimentazione lavori di gruppo con la creazione di gruppi multi livello per promuovere l apprendimento cooperativo e la socializzazione a scuola Per quanto riguarda gli strumenti all apporto dei libri di testo che andrebbero scelti dai docenti in modo accurato e congruente con una didattica innovativa vanno affiancate forme di attivit che stimolino apprendimenti anche attraverso l uso degli audiovisivi e delle nuove tecnologie che vanno considerate nella scuola prima di tutto come mezzi per educare e stimolare la conoscenza degli studenti Ripeto che l insegnante si trova di fronte un gruppo Ecco quindi che oltre all intelligenza la scuola dovrebbe favorire l intelligenza sociale Non detto che una persona molto intelligente accademicamente sia intelligente anche socialmente Cos non detto che sappia adattarsi all ambiente sappia vivere nel mondo sappia lavorare con gli altri Per questo secondo me molto importante creare collaborazione all interno della classe considerando attivit di gruppo Tra l altro c una concordanza praticamente unanime tra gli studiosi sul fatto che nelle scuole medie gli aspetti competitivi sono eccessivi
22. amente un lavoro che va fatto dall insegnante in orario extrascolastico Per l attivit prevista in laboratorio con 1 ragazzi sono previste quattro ore Per la lezione di discussione sulle esperienze di laboratorio da cui l insegnante parte per introdurre la teoria inerente gli esperimenti fatti prevista un ora Materiali e software richiesti In ogni scheda specificato il materiale e 11 software utilizzati per eseguire l esperienza Come iniziare l attivit Poich 11 sistema RTL portatile ha molte potenzialit impensabile spiegare in una sola volta tutti 1 comandi di tale sistema e neppure descrivere tutto ci che con esso si pu fare Una brevissima presentazione del sistema pi che sufficiente Inizierei l attivit vera e propria semplicemente consegnando ai ragazzi le schede proposte Esse sono molto dettagliate tanto che questi anche se non hanno mai utilizzato tale sistema possono lavorare in completa autonomia Gli esperimenti vengono eseguiti a gruppi di due o tre persone ci favorisce l interazione sociale utile per l apprendimento La portabilit del sistema RTL realizzato con calcolatrici grafiche legata alle dimensioni ridotte del sistema completamente autoalimentato ne permetterebbe l utilizzo ovunque Tuttavia gli esperimenti vengono eseguiti in laboratorio semplicemente per la facilit con cui si possono reperire 1 materiali e gli strumenti necessari Come estendere e sviluppare
23. amplificatori operazionali Zanichelli Bo 1991 Introduzione ai sistemi di acquisizione dati in tempo reale Atti della Scuola Nazionale Estiva AIF L Aquila 23 28 Luglio 2001 Studio di una lampada a incandescenza usando CBL come oscilloscopio Ipotesi 4 n 3 2001 Tutto quello che vorreste sapere sull RTL pubblicato nel sito http www ted online it Convegno TED2002 Genova marzo 2002 Torzo G Pecori B Pezzi G La legge dei gas ideali pV nRT CD rom edito da Ghisetti e Corvi Editori 34 Ed 45 Texas instruments Manuale del sistema CBL 1997 TI 89 Manuale di istruzioni 1998 TI Graph Link for windows amp MS DOS Condesed guidebook 1997 Documenti consultati Atti dei convegni nazionali ADT e AIF Riviste consultate La fisica nella scuola Ipotesi Sitt internet consultati www ADT it www edumad com www PASCO com www Vernier com 46 Appendice Moto lungo il piano inclinato Il moto lungo il piano inclinato di diversi corpi un insieme classico di esperimenti che viene tradizionalmente eseguito praticamente in ogni laboratorio di fisica a livello introduttivo Tuttavia sfruttando le possibilit offerte dai moderni sistemi di acquisizione dati in tempo reale RTL possibile offrire un approccio innovativo su questo tema e un insieme di varianti dell esperimento tradizionale Ricerche didattiche su questo tema sono in corso da tempo sia presso il Di
24. arati assistiti dal docente I risultati delle misure potranno essere riesaminati in lezioni successive per discussioni e approfondimenti e o studiati a casa dagli allievi 1 dati registrati possono infatti venire duplicati e consegnati a ciascuno e mantengono tutta la ricchezza di informazione che avevano al momento della acquisizione Anche se in questo lavoro non tutte le potenzialit didattiche di RTL sono state esplorate tuttavia mi sembra che la differenza tra l approccio tradizionale al laboratorio di fisica e l approccio che si avvale di RTL appaia chiara alla luce degli esempi forniti 42 Alcuni dei grafici ottenuti dai vari gruppi della classe 3 F del liceo scientifico J da Ponte di Bassano del Grappa con alcune affermazioni degli studenti Esperimenti di termologia Esperimento 1 Fir F F4 FEr Fr F7 Fir F F4 FEr F r F7 Too Tracefkx3raph tath Deguwi Fen Tools Tracefkx3raphftMath Deguwi Fen TEMP TEMP BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEROS FUNC M Si tratta di un passaggio di stato da liquido a solido La temperatura infatti riamane costante per tutto il passaggio di stato e poi T scende ancora R Si si tratta del fenomeno della solidificazione T Ma perch scende sotto lo zero R Il fatto che sia andato un po sotto lo zero non sbagliato perch non abbiamo lavorato in condizioni ideali Pensa al ghiaccio in un freezer In un freezer di casa si pu arrivare anche a 16 C
25. are nello stesso grafico la forza e la posizione in funzione del tempo Si trover che le due curve sono in opposizione di fase 48 Fir F3 FU For Fr Tools Trace h lt 3FaFeh DrauwFen RAD AFFRON FUNE Figura 3 Grafico della forza linea e della posizione quadratini in funzione del tempo Le due curve sono in opposizione di fase E possibile anche ricavare la costante elastica E quello che ci aspettiamo dalla legge di Hooke F kx ossia la forza con cui la molla reagisce ad un allungamento x proporzionale ed opposta in segno all allungamento stesso Per ricavare perci la costante elastica k della molla si interpola linearmente la curva x t F t La pendenza o meglio il suo modulo la costante k FE F Fir F FH Fr F STAT YARS Tools Trace kzIFaPh DFauiPen r 4947 tt 006168 ek rota 99706 Enter 0K RAD AFFROS FUNE RAD AFFROS FUNE Figura 4 Dati dell interpolazione lineare della curva x t F t A destra la curva sperimentale e la retta interpolante E possibile determinare 11 periodo la pulsazione Dall interpolazione lineare della curva a t F t in base al secondo principio della dinamica si ricava una misura della massa inerziale del sistema M Enter 0K RAD AFFERO FUNE USE T4 OR THFE E C CANCEL Figura 5 L interpolazione lineare della forza in funzione della accelerazione Sono tutte determinazioni che a mano supponendo di avere 1 dati inizia
26. ati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Salvare i dati raccolti A questo punto si pu richiedere il salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal MENU PRINCIPALE La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti Selezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al menu principale senza salvare Il passo successivo scegliere se archiviare o no 1 dati salvati Nel secondo caso possibile modificare 1 dati ma essi vengono salvati nella memoria RAM riducendone lo spazio libero Normalmente consigliabile archiviare 1 dati sempre possibile eliminare l archiviazione premendo l opzione 9 Unarchive Variable in VAR LINK Per entrare nell ambiente VAR LINK premere il tasto giallo e successivamente 1l tasto Alcune considerazioni Un corpo prede energia per irraggiamento convenzione conduzione evaporazione ad un ritmo tanto pi sostenuto quanto maggiore la differenza di temperatura con l ambiente a parit di tutte le altre condizioni Dal momento in cui si aggiunta l acqua fredda nel primo bicchiere a a quello in cui si aggiunge acqua al secondo bicchiere b la temperatura nella curva b maggiore che nella curva a Per tutto questo tempo la perdita di ene
27. ative della fisica ma vorrei richiamarne alcune legate all utilizzo del laboratorio Prima di tutto importante stimolare nello studente la capacit di cogliere 1 collegamenti fra le leggi o gli esperimenti che studia in classe e la realt quotidiana di ogni giorno e quindi in senso molto pi generale il nesso profondo fra scuola e vita In effetti non c argomento di fisica classica che in una forma o nell altra non tocchi o non abbia toccato gli studenti da vicino per esempio quando bevono un t cucinano osservano il tramonto quando guardano una sorgente di luce quando ascoltano musica La Fisica permette loro di inserirsi meglio negli eventi di ogni giorno arricchendo 1l piacere della contemplazione estetica con quello della comprensione intellettuale Un compito fondamentale dell insegnante appunto quello di fare in modo che lo studente prenda contatto concretamente con 1 problemi e 1 temi tipici della disciplina per evitare 11 pericolo sempre presente che una trattazione teorica sviluppata solo sui libri di testo perda nella mente degli studenti il contatto col mondo reale che quella teoria cerca di interpretare Gli studenti hanno bisogno di sperimentare con gli oggetti del mondo di tutti 1 giorni E quindi molto importante agevolare la costruzione di quello che Bruner chiamava ponte fra scuola e vita La realt quotidiana ci offre moltissime possibilit di condurre semplici verifiche sperimentali delle l
28. caso necessario impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per 11 segnale nonch il valore di scala Per esempio si possono scegliere 1 valori 20 C 70 C e 1 come fattore di scala Confermare la scelta premendo ENTER e 1l sistema pronto per l acquisizione del dati vera e propria Misurare la temperatura ambiente es Ta 21 2 0 1 C utilizzando il CBL in modalit Multimeter premendo una volta il tasto MODE del CBL Porre la sonda di temperatura al centro del foglio di alluminio Piegare lo stesso in due parti perpendicolarmente alla sonda cercando di far aderire 1 pi possibile il foglio al sensore stesso per assicurarsi un buon contatto Scaldare il foglio con l asciugacapelli finch non raggiunge una temperatura compresa fra 50 C e 70 C E possibile leggere sul display del CBL 1 valori della temperatura durante la fase di riscaldamento mantenendo il sistema in modalit Multimeter Spegnere l asciugacapelli Attendere alcuni secondi per la stabilizzazione del sistema termico data l inerzia termica della sonda e del foglio di alluminio da cui circondata bene aspettare che venga raggiunta una distribuzione il pi possibile uniforme del calore prima di iniziare l acquisizione dei dati Premere il tasto MODE del CBL per uscire dalla modalit Multimeter Premendo ENTER sulla calcolatrice si fa partire l acquisizione dati predisposta Durante l acquisizione
29. ce la teoria Normalmente quando si aumenta la temperatura di un liquido si osserva che il suo volume aumenta ci accade anche per l acqua a temperature superiori ai 4 C Nell intervallo compreso tra 0 C e 4 C l acqua presenta un comportamento anomalo il suo volume invece di aumentare diminuisce Alla temperatura di 4 C si raggiunge quindi la massima densit L acqua a tale temperatura tende a depositarsi verso 1l fondo Strumenti e materiali utilizzati Calcolatrice grafico simbolica TI 89 CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 3 sensori di temperatura Un cilindro da 500 cc di altezza pari a circa 35 cm Acqua a bassa temperatura Ghiaccio tritato Altri liquidi come alcool denaturato olio Panno per coibentare Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 Modalit Legare tra loro tre sonde di temperatura in modo che le parti sensibili si trovino ad una distanza di circa 10 cm l una dall altra Preparare in un recipiente una miscela di acqua e ghiaccio con temperatura intorno ai 0 C quindi versare la miscela all interno del cilindro Inserirvi le tre sonde e prestare attenzione al fatto che il sensore pi basso sia molto vicino al fondo del recipiente e che non scivoli durante la misura E consigliabile avvolgere il cilindro con un panno in modo che gli scambi di calore con l esterno non siano troppo rapidi e coprirne la sommit per minimizzare l e
30. ceo scientifico J da Ponte di Bassano del Grappa con alcune affermazioni degli studenti 43 II RR IRINA 45 NI ARRE A OSO RASOI CA RIOT OROTT CI 47 Moto lungo il piano inclinato Oscillatori armonici ed anarmonici Studio di componenti elettrici non lineari Esperimenti introduttivi di elettrodinamica RC RL Studio delle risonanze in un circuito R L C Estratto per riassunto della lella 54 Motivazione del laboratorio e del lavoro di gruppo Se si guarda indietro nella Storia della Fisica si scopre che lo studio di questa disciplina nasce essenzialmente in risposta ad esigenze pratiche dal bisogno di comprendere perch succedono le cose perch gli oggetti cadono perch il cielo azzurro perch 11 fuoco brucia etc Nel tempo questa disciplina ha a tal punto ampliato il suo ambito di studio da investire campi che a prima vista nulla hanno in comune fra loro si pensi per esempio alle applicazioni in Astrofisica da un lato e in Fisica Medica dall altro ma che si intrecciano sulla base di principi comuni capaci di offrire innumerevoli spunti di discussione e di approfondimento In corrispondenza all ampliamento dei campi di interesse della Fisica anche le funzioni educative di questa disciplina hanno conosciuto una forte crescita e attualmente si esplicano in vari ambiti da quello pi strettamente culturale a quello sociale e relazionale Non possibile descrivere in poche righe tutte le funzioni educ
31. da per piccole oscillazioni ma anche quelle del moto anarmonico a grandi oscillazioni L interesse di uno studente per un esperimento con oscillatori meccanici risulta assai limitato se egli si deve limitare ad osservare le oscillazioni e a misurare il periodo con un 47 cronometro L uso di una calcolatrice grafica interfacciata a sensori pu invece offrire molte possibilit in pi e stimolare l inventiva dello sperimentatore Lo studio si pu articolare in questo modo 1 studio del moto di un oscillatore massa molla 2 studio del moto del pendolo a piccole e grandi elongazioni Riporto alcuni dati in proposito Sensore Li USE T4 OR THFE E C CANCEL RAD AFFERO FUNE 1 RAD AFFERO FUH RAD AFFERO FUHE Figura 2 Andamento della posizione della velocit dell accelerazione e della forza in funzione del tempo Questi grafici sottolineano la ricchezza didattica di un apparato sperimentale concettualmente e oggettivamente cos semplice Grafici di questo tipo non possono essere realizzati a mano durante l osservazione del fenomeno E su questi risultati si pu far riflettere gli studenti La prima cosa che possiamo osservare con gli studenti che tutte le curve presentano un andamento di tipo sinusoidale Tali oscillazioni ci suggeriscono perci il carattere armonico del sistema massa molla E possibile utilizzando la calcolatrice grafica analizzare la relazione di fase Infatti possibile osserv
32. di ricalibrazione Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Scegliere l opzione 3 ACQUISISCIDIGITA per associare ai valori di pressione misurati dal sensore quelli del volume della siringa immessi manualmente quando viene richiesto Se il pistone della siringa in posizione premere ENTER e quando compare la scritta DIGITA VALORE digitare sulla calcolatrice 11 valore del volume letto sulla siringa Il messaggio successivo propone di continuare la raccolta di dati 1 ALTRI DATI di terminare e tracciare 11 grafico 2 STOP GRAFICO o di effettuare una pausa Ripetete lo stesso procedimento pi volte fino a comprimere il gas in un piccolo volume Scegliere l opzione 2 STOP GRAFICO per terminare la raccolta dei dati A questo punto si pu considerare un grafico in cui la pressione in funzione del volume scegliendo l opzione 1 CANALE 1 Premendo ENTER viene chiesto se s1 desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER A questo punto si richiede il salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal menu principale La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti S
33. di temperatura 2 becher riscaldatore elettrico versione A 100 cm di acqua 100 cm di alcool denaturato di uso domestico versione B soluzione satura di acqua e cloruro di sodio acqua distillata versione C soluzione di acqua e alcool 20 di alcool acqua distillata 3 esperimento 2 sensori di temperatura cotone idrofilo alcool acqua ammoniaca solvente Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 1 esperimento Modalit Si raffredda l acqua contenuta in una provetta in una miscela refrigerante di ghiaccio e sale Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e il CBL Immergere il sensore di temperatura nell acqua 19 Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Fir Fer Fir FE F r Toolz Al9 lt bFajCalz PraraiOpCi lt an UF Frs is HAIN RAD AFFF Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente il numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 CET ERRE ERA FERNE ERRATO TRATTI Guale modello usi 1 TI29 J Uo4a ge zii La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER c
34. e possibilit di registrare tali dati in formato facilmente duplicabile e trasferibile facilit e rapidit nella rappresentazione grafica di tali dati facilit nella manipolazione dei dati grafici interpolazioni confronti trasformazioni matematiche Il laboratorio didattico pu quindi articolarsi in un processo ciclico riassumibile pi brevemente come modellizzazione del fenomeno progettazione dell esperimento esecuzione dell esperimento analisi dei dati confronto con le previsioni revisione del modello nuovo esperimento che pu essere attuabile anche senza RTL Tuttavia l uso di RTL consente di rendere tale processo pi facilmente attuabile e nel contempo pi efficace La rapidit della acquisizione dati e la facilit della loro elaborazione riduce notevolmente la distanza tra la fase iniziale di elaborazione del modello e la fase finale del confronto tra risultati delle misure e previsioni teoriche Alla luce di ci il presente elaborato pu risultare utile ad un insegnante che voglia educare gli studenti al ragionamento scientifico L insegnante che abbia acquisito una buona familiarit con la tecnica RTL potr utilizzarla sa in lezioni frontali di tipo dimostrativo gli studenti assistono all esperimento gestito dal docente su un singolo apparato e ne discutono collettivamente 1 risultati sia in un laboratorio di tipo interattivo gruppi di studenti eseguono l esperimento in parallelo con diversi app
35. e essi vengono affrontati sperimentalmente In particolare 1 circuiti risonanti RLC vengono quasi sempre trattati solo in modo teorico perch un loro studio sperimentale nel laboratorio tradizionale richiede un uso non banale dell oscilloscopio e solo impiegando un costoso oscilloscopio digitale dotato di memoria si pu affrontarne uno studio quantitativo esauriente Invece se si utilizza CBL o analoga interfaccia per uso didattico collegata a PC o a calcolatrice grafica la sperimentazione diventa assai pi agevole e consente anche un analisi successiva sui segnali raccolti Essi infatti vengono memorizzati nella loro interezza e possono quindi venire rielaborati numericamente o graficamente anche dagli studenti lontani dal laboratorio Il solo accorgimento necessario scegliere intervalli di frequenze adatti alla limitata velocit di campionamento dell interfaccia Qui la situazione simmetrica a quella del laboratorio con oscilloscopio la banda passante dei comuni oscilloscopi dell ordine dei MHz qui dell ordine dei kHz ma con CBL non c limite a bassa frequenza mentre per l oscilloscopio tradizionale necessario lavorare sempre a frequenze superiori a 50Hz per ottenere una Immagine stabile sullo schermo Ino lu Da 1 Q gono CEL tgo E i DE Figura 16 Circuito per misure della curva di risonanza 53 ESTRATTO PER RIASSUNTO DELLA TESI Questo lavoro propone un esempio di percorso didattico per laboratori
36. e che sarebbe opportuno favorire una maggiore cooperazione ad esempio attraverso ampie e articolate discussioni collettive e lavori di gruppo Motivazione e articolazione della proposta del laboratorio di fisica con sistema di acquisizione dati in tempo reale RTL Da molti anni nei nuovi programmi della Scuola Secondaria Superiore stata introdotta l informatica ad afflancare le altre discipline Numerosi Personal Computer sono oggi installati nei laboratori scolastici ma il loro utilizzo nell ambito dell insegnamento delle scienze si spesso limitato a navigazioni in Internet a composizione di testi o a impiego di fogli elettronici per simulazioni di esperimenti Per quanto riguarda le scienze sperimentali solo di recente s1 iniziata in alcune scuole una sperimentazione che vede il calcolatore al servizio dell esperimento reale si tratta dell uso del calcolatore per acquisizione dati in tempo reale Real Time Laboratory in breve RTL Tale sperimentazione attuata a volte per iniziativa di singoli insegnanti a volte stimolata e guidata in progetti nazionali appoggiati da MPI MURST e spesso alutata da associazioni disciplinari AIF ADT sembra offrire qualche speranza che le scienze possano riprendere ad essere insegnate nelle scuole secondarie anche in laboratorio La facilit e l immediatezza d uso del sistema RTL possono offrire agli studenti un Q sostanziale supporto allo studio permettendo un integrazione
37. e il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE Collegare mediante 1l cavetto adattatore il sensore di pressione al canale CHI del CBL Sollevare il pistone della siringa fino alla tacca corrispondente al massimo volume 20 cm Inserire la siringa nella valvola a due vie del tubicino di plastica che sporge dal sensore Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 1 UNO e premere ENTER per conferma La successiva finestra consente di scegliere il tipo di sensore che si intende utilizzare Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 11 numero 5 scegliere l opzione 5 PRESSIONE e premere ENTER per conferma Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di pressione al canale CHI del CBL e premere ENTER 34 Nella finestra successiva viene richiesta l unit di misura della pressione Selezionare kPa per rimanere nell ambito delle unit del S I Viene richiesto il codice del sensore a disposizione Selezionare l opzione 2 GPS BTA Il sensore di pressione un sensore gi calibrato per cui rispondere scegliendo l opzione 1 NO alla richiesta
38. e l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e il CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE 39 Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 2 DUE e premere ENTER per conferma A questo punto si devono indicare 1 tipi di sensore che si intendono utilizzare Premere S ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA per la prima sonda Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CH1 del CBL Ripetere la scelta delle opzioni 8 ALTRO e 6 TEMPERATURA e connettere 1l secondo sensore al canale CH2 del CBL Acquisizione dati Porre 1 sensori di temperatura in due bicchieri uguali Versare uguali quantit di acqua bollente nei due recipienti e aspettare qualche secondo in modo che le sonde raggiungano l equilibrio termico con l acqua Dal MENU PRINCIPAL
39. e usare l oscilloscopio Tuttavia a meno di usare un costoso oscilloscopio digitale in questo modo non si possono analizzare 1 dati con comodit anche in tempi successivi alla esecuzione dell esperimento 52 Il sistema RTL risulta particolarmente utile proprio quando 1 fenomeni da analizzare sono rapidi in quanto consente di acquisire dati a frequenza di campionamento relativamente alta qualche kHz per brevi intervalli di tempo a partire da un istante che pu essere opportunamente scelto mediante l uso di un TRIGGER Queste caratteristiche possono semplificare la scelta dei componenti e dell apparato sperimentale ad esempio nel gi citato esperimento di carica scarica di un condensatore Nel caso poi del partitore RL non facile trovare in commercio induttori con valori elevati di L frazioni di Henry e con resistenza parassita Rs ad alta frequenza non troppo grandi pochi Ohm che consentano quindi di misurare lunghe costanti di tempo t L R con valori di R non troppo piccoli valori di R confrontabili con Rs renderebbero difficilmente apprezzabile la caduta di tensione sul ramo resistivo In definitiva per il partitore RL misure manuali sono improponibili e resta solo la scelta tra oscilloscopio e RTL Figura 5 Apparato usato per studiare il circuito RC con batteria e un deviatore Studio delle risonanze in un circuito R L C I sistemi risonanti sono una parte importante nell insegnamento della fisica ma rarament
40. eggi fisiche fornendoci cos l occasione di affinare 1 nostri meccanismi di ragionamento e un ruolo fondamentale per lo sviluppo di questo connubio tra sapere e saper fare il laboratorio di Fisica dove attraverso gli esperimenti gli studenti imparano a concretizzare 1 principi teorici studiati Inoltre come si legge nei programmi ministeriali e in molti articoli come ho potuto ascoltare nel corso delle lezioni alla SSIS soprattutto nelle lezioni dei corsi di laboratorio e del tirocinio indiretto e come ho potuto sperimentare durante le ore di tirocinio diretto passate in laboratorio assieme alle classi 24 e 34 F del liceo scientifico Jacopo da Ponte di Bassano del Grappa la professoressa A Maddalozzo e il tecnico A Rattin l utilizzo del laboratorio di Fisica atuta la classe a costituirsi come gruppo perch promuove la capacit di relazione fra gli studenti e stimola lo sviluppo di atteggiamenti di solidariet di confronto e di collaborazione fra 1 membri dello stesso gruppo o fra un gruppo di lavoro e l altro In laboratorio gli studenti imparano a riflettere criticamente su ci che osservano ad interpretare e a problematizzare ci che vedono a dialogare e a discutere con gli altri a mettersi in discussione avanzando ipotesi a confrontarsi con 1 compagni e con l insegnante ad accogliere o a respingere 1 suggerimenti degli altri motivando di volta in volta le loro scelte ad esporre con coraggio le loro perplessit sen
41. elezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al munu principale senza salvare Analisi dei dati L andamento dei dati suggerisce un ipotesi di proporzionalit inversa tra le grandezze in esame Come verificare tale ipotesi METODO 1 Ricercare l equazione e il grafico della curva di interpolazione Per studiare la relazione che sussiste fra 1 diversi dati dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 3 ANALISI Dal MENU ANALISI scegliere l opzione 1 GRAFICA INTERPOLA Premendo l opzione 2 INTERPOLAZIONE viene richiesto di scegliere la grandezza sull asse X 1 tempo o manuale e la grandezza sull asse Y 2 canale 1 E possibile decidere le opzioni del grafico se devono essere riportati solo 1 punti sperimentali se la linea che li congiunge o se entrambe le opzioni 35 Per esempio scegliere 1 SOLO PUNTI Compare a questo punto una lista delle possibili interpolazioni Scegliere l opzione 4 POTENZA Compaiono l equazione nella forma Y A X B dove Y la pressione e X 1l volume e 1 parametri della curva interpolante E utile annotare sul quaderno di laboratorio 1 parametri ottenuti Premendo nuovamente ENTER vengono tracciati 1 dati sperimentali assieme alla curva Interpolante Osservazione Per una conferma dell ipotesi di proporzionalit inversa tra volume e pressione il parametro B dovrebbe essere esattamente 1 Perch se ne discosta ME
42. ento della temperatura di un corpo che dopo essere stato sottoposto a riscaldamento viene lasciato raffreddare nell ambiente Strumenti e materiali utilizzati Calcolatrice grafico simbolica TI 89 CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 Sensore di temperatura in grado di apprezzare 0 1 C Asciugacapelli Foglio di alluminio del tipo di alimenti di circa 20 cm x 20 cm Programma Sulla calcolatrice caricato il programma Physics versione 7 2003 Modalit Si riscalda con un asciugacapelli un foglio di alluminio che in pochi minuti raggiunge una temperatura sufficientemente alta e poi lo si lascia raffreddare all aria Poich il raffreddamento abbastanza rapido utile servirsi di un sistema di acquisizione dati in tempo reale capace di registrare un congruo numero di misure in un breve intervallo di tempo Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e il CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare il modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utili
43. epotentemente il mezzo grafico come elemento p essenziale per raccordare modello e realt In particolare i grafici cartesiani giocano un ruolo facilitatore nella comprensione e nel chiarimento delle relazioni che esistono tra esperienza simulata ed esperienza reale tra dati sperimentali e leggi fisiche tra esperienza e sua matematizzazione tra dati grafici e funzioni Una modalit di rappresentazione quella grafico cartesiana dalle enormi potenzialit ancora poco sfruttate nella scuola attuale nonostante la massiccia invasione dei messaggi grafico visuali presenti nella nostra societ Come suggerisce poi Arnold B Arons i grafici offrono un alternativa o un completamento molto validi alle trattazioni verbali e algebriche offrendo cos agli studenti un modo alternativo per lavorare con 1 concetti che s1 stanno sviluppando Percorso Le potenzialit di questo metodo per un percorso didattico per il laboratorio di fisica sono molteplici e non sono sufficienti queste pagine per riportare tutte le possibili applicazioni Riporto quindi alcuni esempi in appendice per indicare alcune potenzialit del metodo Gli esempi che s1 possono realizzare con questo sistema sono molteplici e spaziano in diversi settori Per esempio nel settore meccanica moti su piano inclinato pendolo oscillatore massa molla termodinamica raffreddamento passaggi di stato equilibro termico dilatazione termica il comportamento anomalo dell
44. fficace analisi qualitativa dei fenomeni investigati e quindi gestire l attivit sperimentale in tempi compatibili con 1l ristretto orario scolastico ma anche ottenere una analisi quantitativa ricca di nuovi spunti per una comprensione approfondita dei problemi affrontati Si offre cos allo studente una palestra che stimola la sua iniziativa permettendogli al contempo di gustare un assaggio dei metodi di indagine della fisica Egli amplia la conoscenza sviluppata sui libri di testo troppo astratta se non sperimentata con gli oggetti del mondo di tutti 1 giorni Sfruttando le potenzialit di calcolo numerico grafico offerte dalla moderna tecnologia questa proposta punta ad avvicinare la fisica che si studia a scuola alla comprensione dei fenomeni della vita reale Prerequisiti di gestione del software Non necessario che gli allievi sappiano gi utilizzare le calcolatrici grafico simboliche Tutto quello che devono sapere per queste attivit proposte lo trovano spiegato passo per passo nelle schede consegnate loro prima dell esperienza La facilit d uso del sistema permette agli alunni di sfruttare in maniera intelligente le risorse informatiche senza troppa fatica consentendo loro di focalizzare l attenzione esclusivamente sul problema connesso al fenomeno oggetto di studio Tempi Sono necessarie circa ore per preparare le schede provare l attivit in laboratorio ed eventualmente correggere le schede Questo ovvi
45. files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti Selezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al menu principale senza salvare Il passo successivo scegliere se archiviare o no 1 dati salvati Nel secondo caso possibile modificare 1 dati ma essi vengono salvati nella memoria RAM riducendone lo spazio libero Normalmente consigliabile archiviare 1 dati sempre possibile eliminare l archiviazione premendo l opzione 9 Unarchive Variable in VAR LINK Per entrare nell ambiente VAR LINK premere il tasto giallo e successivamente 1l tasto Alcune considerazioni Per l acqua si dovrebbe osservare una forma irregolare delle tre curve che dovrebbero intersecarsi in pi punti Si dovrebbero individuare nel grafico tre parti interessanti Una parte iniziale in cui nella parte inferiore del cilindro la temperatura si mantiene pressoch costante intorno ad un valore di circa 4 C Nella parte superiore invece a causa dei moti convettivi le temperature variano di qualche grado tra 2 C e 5 C Questo conferma che la densit dell acqua presenta un massimo in prossimit di 4 C All inizio gli strati superiori si trovano a temperature pi basse di 4 C poi cessa l anomalia e la 29 temperatura registrata per l acqua degli strati superiori aumenta L acqua a temperatura superiore anche meno densa e si
46. i tenere conto di un volume nascosto il tubicino che collega il sensore alla siringa ha un diametro interno di 4 mm e una lunghezza di 175 mm quindi il suo volume di circa 2 2 cm AI volume iniziale contribuiscono probabilmente anche un estremit della siringa e lo spazio all interno alla scatola del sensore prima della membrana Una differenza di 2 o 3 cm su un volume di 8 o 10 cm incide per una discreta percentuale Proviamo a tenere conto del volume nascosto negli ultimi due metodi considerati METODO 3 Ritornare ai dati sul foglio elettronico entrando nell ambiente DATA MATRIX EDITOR Premere 11 tasto APPS applications selezionare l opzione 6 Data Matrix Editor e quindi l opzione 1 Current Dall equazione della retta di interpolazione y a x b riportata sul quaderno ricavare il valore assoluto di b Aggiungere il valore assoluto di b ai dati della colonna c1 del volume Posizionarsi nella colonna cl e digitare la formula c1 valore assoluto di b Premere FS Calce calcolare la nuova curva di interpolazione fra 1 dati delle colonne c4 e cl 37 METODO 2 Dopo aver modificato 1 dati del volume come suggerito nel metodo 3 vengono automaticamente cambiati anche 1 dati nella colonna c3 se non stata cancellata la digitazione c2xcl nella cella c3 Si osservi che non si ha pi il sistematico abbassamento del valore del prodotto PV al diminuire del volume 38 Scheda n 6
47. in VAR LINK Analisi dei dati senza l uso di logaritmi ed esponenziali Al termine dell acquisizione dei dati osservare l andamento del grafico La velocit di variazione della temperatura che diminuisce man mano che la temperatura si avvicina alla temperatura dell ambiente Ta sembra essere proporzionale alla differenza tra la temperatura registrata T e la temperatura ambiente Verificarlo riportando in grafico la variazione di temperatura tra due acquisizioni successive AT in funzione del salto di temperatura T Ta Infatti al posto della velocit di variazione della temperatura si pu considerare AT essendo costante l intervallo di tempo tra una rilevazione e l altra Che tipo di andamento si trover Uscire dal programma physics Analizzare 1 dati su un foglio elettronico entrando nell ambiente DATA MATRIX EDITOR Premere 11 tasto APPS applications selezionare l opzione 6 Data Matrix Editor e quindi l opzione 3 New Digitare un nome per Il file che s1 vuole creare e premere ENTER Inserire nelle colonne cl e c2 1 valori della temperatura Posizionandosi sulla cella c1 digitare L2 lista della temperatura quindi posizionarsi sulla cella c2 e digitare L2 Inseriti 1 dati cancellare le due digitazioni fatte in questo modo 1 valori delle due colonne restano invarianti anche se effettuiamo ulteriori acquisizioni Nelle celle immediatamente sopra le due celle cl e c2 si possono scrivere le intestazioni
48. l CBL Ripetere la stessa scelta ancora una volta e connettere il terzo sensore al canale CH3 del CBL Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 30 secondi e 90 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 2 7 x 10 secondi vale a dire 45 minuti confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione E consigliabile scegliere la seconda opzione per osservare in tempo reale l andamento della temperatura dell acqua a diversi livelli di profondit E necessario Impostare 1 valori minimo e massimo della temperatura attesi per il segnale nonch il fattore di scala s1 possono prendere per esempio 1 valori 2 10 1 Confermare la scelta premendo ENTER e il sistema pronto per l acquisizione dei dati vera e propria Premere EN
49. l t 11 liquido ottenuto si raffreddi molto pi velocemente perch il salto di temperatura maggiore e poi ipotizzano che le curve proseguano parallelamente Per altri vero che le curve proseguono parallelamente ma 1 salti di temperatura sono gli stessi per cui il risultato finale esattamente lo stesso Secondi altri il risultato corretto che aggiungendo 1l latte pochi secondi prima della fine dell esperimento si giunge ad una temperatura pi bassa perch la quantit di liquido che si deve raffreddare pi bassa Ognuno ha la sua idea sul risultato che potrebbe avere l esperienza e 1 ragazzi euforici vogliono subito verificare chi ha ragione E chiaro che sulle interpretazioni date dai ragazzi ci sono diversi errori Come correggere tali errori Innanzitutto opportuno che tutti gli alunni eseguano l esperienza per toccare 2 Cfr scheda Il t al latte 13 con mano il risultato Se eseguono correttamente l esperienza gi eliminano alcune soluzioni sbagliate come 1l fatto che le due curve siano parallele Purtroppo dalla fretta di sapere qualcuno non segue la scheda con attenzione e non mette nei due bicchieri quantit d acqua uguali e quindi il risultato un po anomalo Qualsiasi scelta avesse fatto il viaggiatore sarebbe stato lo stesso Questo dimostra come sia importante prevedere dopo l esperienza una discussione guidata sulla stessa facendo ragionare 1 ragazzi sulla fi
50. li dello spostamento richiedono molto tempo da parte dei ragazzi Questi calcoli infatti possono essere fatti con carta e penna ma si tratta di un lavoro lungo e tedioso si pu ricorrere all aiuto della TI 89 Durante una lezione l uso della calcolatrice grafica pu servire per lasciare agli studenti pi tempo per analizzare il problema in s senza impegnarli in lunghi calcoli che possono comunque essere svolti a casa o in un altro momento Ancora possibile analizzare l energia cinetica potenziale e totale del sistema L andamento delle singole forme di energia in funzione della posizione mostrato nella figura seguente qui la trasformazione di una forma di energia in quella complementare risulta evidente 49 Fir F3 F4 For Fr Tools Trace k lt 3Faeh DrauPgn E ET RAD AFFRON FUNC EATT Figura 6 Grafico dell energia potenziale EP cinetica EC e totale ET in funzione della posizione E possibile effettuare una verifica dell isocronismo Una prova dell armonicit del sistema data dall isocronismo delle oscillazioni indipendenza del periodo dall ampiezza Fis _ Fa F FA_ FS FP Fi F3 Fu FE F7 Tool Flot Sstue Ce11 Hodd lt gF Ca12 tak Tools Trace R lt IFaFh Draw en i ai T F ci mmia n an er50 ee 1 xoi bb Jc rok FI BAD EXACT FUNE USE 3t4 OR TYFE ESC CANCEL Figura 7 Periodo e ampiezza dati sperimentali su foglio elettronico e su assi cartesiani Si osserva
51. liere se archiviare o no 1 dati salvati Nel secondo caso possibile modificare 1 dati ma essi vengono salvati nella memoria RAM riducendone lo spazio libero Normalmente consigliabile archiviare 1 dati sempre possibile eliminare l archiviazione premendo l opzione 9 Unarchive Variable in VAR LINK 2 esperimento Modalit Si scaldano su un riscaldatore elettrico la stessa quantit contenuta in due becher di acqua e alcool versione A acqua e una soluzione di acqua e cloruro di sodio versione B acqua e una soluzione di acqua e alcool versione C 22 Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e 11 CBL Porre a scaldare sul riscaldatore 1 due becher riempiti con i due liquidi Immergere 1 sensori di temperatura nei due becher Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE Predisposizione sonda Confermare l opzione evidenziata 1 PREDISPOSIZIONE SONDE premendo 1l ta
52. lla lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura rispettivamente nella lista L2 per la sonda collegata al canale 1 del CBL e nella lista L3 per la sonda collegata al canale 2 del CBL Premendo ENTER possibile scegliere quale variabile vedere disegnata in un grafico in funzione del tempo la temperatura rilevata dalla prima sonda la temperatura rilevata dalla seconda sonda entrambe le temperature Scegliere la voce 3 ENTRAMBI per confrontare 1 grafici di riscaldamento delle due sostanze Premendo l opzione ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Alcune considerazioni Per tutte le sostanze si verifica una diminuzione di temperatura corrispondente allo scambio di energia con l ambiente esterno che produce la vaporizzazione Salvare i dati raccolti Come nell esperimento 1 possibile salvare 1 dati 26 Scheda n 3 Scopo dell esperienza Illustrare una semplice procedura sperimentale per lo studio della variazione della densit dell acqua e di altri fluidi al variare della temperatura Mostrare sperimentalmente che l acqua ha un comportamento diverso dagli altri liquidi per quanto riguarda la dilatazione termica Seguire l andamento nel tempo della temperatura a diversi livelli di profondit e confrontarlo con il comportamento di altri liquidi Cosa di
53. n 1 ragazzi una osservazione qualitativa dei grafici Il grafico dell angolo in funzione del tempo potrebbe sembrare a prima vista quello di un moto armonico seppur smorzato ma le differenze rispetto ad un reale andamento sinusoidale appaiono chiaramente dal grafico della velocit angolare e ancor di pi da quello dell accelerazione angolare in funzione del tempo In particolare si nota che t e a t si discostano dell andamento sinusoidale a grandi ampiezze mentre vi si avvicinano nell ultima parte dei grafici quando l angolo diventa pi piccolo Un modo quantitativo per dimostrare che il moto di un pendolo non armonico misurare direttamente il periodo in funzione dell ampiezza MR aea SEA passi Dran e EDO Pa SHSRh Dran Eh ez a ciga 94 uo 50 A cri 2Z3 0310 0 yc z 100 fu 123 031 252 100 A poi H RAD AFFEOM FUNE poi ili RAD AFFROM FUNE Figura 11 Periodo in funzione dell ampiezza Il marker mostra la variazione del periodo con l ampiezza Si possono fare esperimenti vari in pochissimo tempo Per esempio possibile far analizzare al ragazzi la dipendenza del periodo da massa e lunghezza F FU Fhr F FH Hak F7 TracelfizIraFh Draw ik Tracelkedrarh branjF en e c335 919 uc 1 520 A MAIN RAD AFFROn FUNC RAD AFFROn FUNC Figura 3 A sinistra il periodo in funzione della elongazione per pendoli con masse diverse alla stessa distanza dal centro di oscillazione a destra il periodo in funzione dell
54. ni Usando il comando F3 TRACE si possono leggere nel grafico 1 valori della temperatura nei vari punti E utile per esempio conoscere la temperatura iniziale dell acqua inizialmente tiepida la temperatura iniziale dell acqua inizialmente fresca la temperatura raggiunta all quilibrio Premendo l opzione ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Salvare i dati raccolti A questo punto si pu richiedere 11 salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal MENU PRINCIPALE La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti Selezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al menu principale senza salvare Il passo successivo scegliere se archiviare o no 1 dati salvati Nel secondo caso possibile modificare 1 dati ma essi vengono salvati nella memoria RAM riducendone lo spazio libero Normalmente consigliabile archiviare 1 dati sempre possibile eliminare l archiviazione premendo l opzione 9 Unarchive Variable in VAR LINK Per entrare nell ambiente VAR LINK premere il tasto giallo e successivamente 1l tasto Alcune considerazioni Visto che le quantit d
55. ntuale modifica prenotazione del laboratorio di fisica in modo che all arrivo dei ragazzi siano gi pronti sul banchi gli strumenti e il materiale necessario all esperimento consegna della scheda ai ragazzi 1 ragazzi leggono la scheda ed in gruppi di 2 o 3 persone eseguono l esperimento durante le ore previste ogni gruppo esegue tutti gli esperimenti lezione dedicata alla discussione sulle esperienze di laboratorio da cui l insegnante parte per introdurre la teoria Obiettivi disciplinari In termini di conoscenze La temperatura di equilibrio I passaggi tra gli stati di aggregazione e le loro propriet In termini di competenze Saper analizzare le condizioni di equilibrio termico tra due corpi Saper analizzare le propriet dei cambiamenti di stato In termini di capacit Saper raccogliere dati Saper ricavare informazioni dai grafici Saper fare un analisi critica dei risultati ottenuti Saper trarre delle conclusioni dai risultati ottenuti Saper cogliere ed apprezzare l utilit del confronto di idee e dell organizzazione del lavoro di gruppo Obiettivi legati all utilizzo del sistema RTL 11 La facilit e l immediatezza d uso del sistema RTL possono offrire agli studenti un sostanziale supporto allo studio permettendo un integrazione pi solida e articolata fra attivit sperimentali e trattazione teorica Con tale sistema possibile non solo ridurre 1 tempi necessari per un e
56. nze di laboratorio inerenti il tema che si vuole presentare E pi facile perch mentre si spiega si riprende quello che stato osservato V1 ricordate quando avete fatto cos e cos in laboratorio e cosa avete trovato Partendo dalle esperienze eseguite dai ragazzi tutto pi semplice E pi fruttuoso perch 1 ragazzi si rendono conto che 1 concetti spiegati nei libri non sono cose astratte o slegate dalla realt Inoltre il riferirsi durante la spiegazione al lavoro fatto coinvolge molto pi 1 ragazzi alla lezione stessa perch si sentono spronati a dare la loro interpretazione di quello che hanno fatto Se la teoria invece viene introdotta prima dell attivit di laboratorio la lezione risulta la solita lezione e 1 ragazzi vedono il laboratorio semplicemente come un ambiente dove perdere un po di tempo tanto sal gi cosa deve venire Nel primo caso invece 1 ragazzi sono molto pi stimolati a osservare il fenomeno e ad interpretarlo L ideale forse sarebbe affrontare lo stesso argomento sia prima che dopo la spiegazione teorica Prima perch cos osservano il fenomeno senza sapere cosa deve venire dopo perch possono rivedere l esperimento alla luce di quello che hanno studiato Sapere cosa ne pensano gli studenti se ritengono utili le esperienze oppure no Ho interagito molto con gli studenti passando tra 1 diversi gruppi osservando le loro azioni e ascoltando 1 loro commenti e interp
57. o Le due sostanze hanno massa uguale e vengono riscaldate allo stesso modo per cui ci che influisce 1l calore specifico A Il grafico che appariva era proprio un pezzo di retta orizzontale S No in realt saliva ancora un po ma con una pendenza minore finch non era evaporato tutto l alcool Esperimento 3 Fir F FU F r IF Fir F3 F4 FEr FG Fr ir F FU Fr F Too z Tracel keIFrapeh IrawlFen Too Traceffiz3raph Math Draw Fen Tooli Tracs fzIFaFh DrauwFzhn T BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC 43 T Con questa esperienza si intende studiare l evaporazione della sostanza Accade che la sonda di temperatura si raffredda perch assorbe calore Se assorbe calore allora assorbe energia Esperimento dilatazione termica comportamento anomalo dell acqua Fir F F4 FEr Fr F7 Tols TracejlktJrarhji Hathi aF ern T BAD AFFEOS FUNC z BAD AFFEOS FUNC C Purtroppo abbiamo scaldato troppo l acqua e quindi non abbiamo visto la curva perch i valori impostati erano troppo bassi Questo sottolinea come i ragazzi non siano abituati a lavorare in maniera autonoma Non hanno letto bene la scheda o comunque non hanno ragionato prima di iniziare l esperimento L Sebbene le quantit d acqua usate siano le stesse le due curve non sono simmetriche perch in realt il sistema non perfettamente adiabatico e quindi gli scambi temici non avvengono tra due oggetti ma tra tre perch bi
58. o di fisica attuato con un sistema portatile di acquisizione dati in tempo reale RTL Si tratta di una calcolatrice grafica tascabile connessa tramite interfaccia a diversi sensori Con tale sistema pratico compatto ed economico possibile non solo ridurre 1 tempi necessari per una efficace analisi qualitativa dei fenomeni investigati ma anche ottenere una analisi quantitativa ricca di nuovi spunti per una comprensione approfondita offrendo allo studente una palestra che stimoli la sua Iniziativa Sfruttando le potenzialit di calcolo numerico grafico offerte dalla moderna tecnologia questa proposta punta ad avvicinare la fisica che si studia a scuola alla fisica della vita reale ad esempio accanto allo studio dell oscillatore armonico possibile affrontare quello dell oscillatore anarmonico accanto alla curva di raffreddamento dell acqua si pu studiare la curva di raffreddamento di un foglio di alluminio Gli esperimenti qui proposti vogliono essere esempi non esaustivi ma tuttavia efficaci nell indicare le potenzialit del metodo che bene si presta per un insegnamento flessibile e poco prescrittivo 54
59. oddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Alcune considerazioni Versione A La temperatura di ebollizione cambia da sostanza a sostanza Versione B La temperatura di ebollizione in una soluzione dipende dalla quantit di soluto Durante l ebollizione l acqua evapora e la fase solida della soluzione aumenta Versione C La soluzione comincia a bollire ad una temperatura dove si individua una prima sosta termica e poi la temperatura aumenta ancora L andamento del grafico permette di dire che il liquido esaminato costituito da due sostanze Dall odore possibile stabilire che l alcool evaporato Questo esperimento permette di individuare cos una possibile tecnica di separazione delle soluzioni con il metodo della distillazione Salvare i dati raccolti Come nell esperimento 1 possibile salvare 1 dati 3 esperimento Bagnando la nostra pelle con acqua in giornate particolarmente calde possibile ottenere refrigerio Anche quando ci strofiniamo con l alcool nota la sensazione di freschezza A contatto con il calore del corpo l alcool o l acqua vaporizzano assorbendo energia e dando origine alla sensazione momentanea di freschezza 24 Modalit Avvolgere 1 bulbi delle sonde con pochissimo cotone idrofilo Bagnare in alcool 1l bulbo della prima sonda In sequenza bagnare con altri liquidi 11 bulbo della seconda sonda Preparazione del sistem
60. olo del problema e il ruolo del laboratorio dal VI e VII convegno Orlandini La fisica nella scuola XXVII supplemento 1994 ADT Risorse per la didattica della matematica e delle scienze con le nuove tecnologie CD rom edito da Ghisetti e Corvi Editori 3 Ed Caforio A Ferilli A Physica volume 1 La meccanica volume 2 Onde ottica termologia volume 3 Elettromagnetismo fisica atomica e nucleare fisica delle particelle Testi per 1 licei scientifici Le Monnier 1989 Fo O Rambelli A Raffreddamento di un corpo 1 Meeting ADT Cervia 1998 Mencuccini C Silvestrini V Fisica I Meccanica Termodinamica Liguori Ed 1992 Moreno G Pallottino G V Manuale di fisica volume unico per le scuole medie superiori Le Monnier 1983 Pezzi G Esperimenti on line sul raffreddamento di un corpo Ipotesi 1 n 1 1998 La legge di Boyle 1 Meeting ADT Cervia 1998 Ravanelli M T al latte Ipotesi 5 n 2 2002 Rizzo M R Semplici esperimenti di termologia Ipotesi 5 n 1 2002 Sconza A Torzo G Esperimenti di meccanica e termologia on line Corso di perfezionamento per insegnanti di fisica Padova settembre 1997 Soletta I Branca M Dilatazione termica il comportamento anomalo dell acqua Ipotesi 5 n 1 2002 Esperimenti on line sull equilibrio termico Ipotesi 4 n 1 2001 Torzo G Capire e sperimentare gli
61. oltaica di un termistore impongono infatti allo sperimentatore di servirsi di competenze pertinenti a comparti diversi per capire a fondo il fenomeno studiato In questo lavoro voglio puntare per l attenzione sulla termologia argomento affrontato nel corso del tirocinio diretto Per quanto riguarda tale argomento presento alcune schede che guidano gli alunni a realizzare l esperimento in completa autonomia Nello specifico sono state utilizzate dalla 34 F del Liceo Scientifico J da Ponte di Bassano del Grappa Si tratta di esperimenti resi possibili grazie all utilizzo di questo semplice ma efficace sistema RTL portatile Oltre alle curve di raffreddamento abbiamo affrontato argomenti quali l equilibrio termico 1 passaggi di stato la dilatazione termica e anche alcuni esperimenti che hanno stimolato la curiosit del ragazzi come l esperienza il t al latte L esperienza del tirocinio diretto La classe La classe in cui si svolta questa mia esperienza di tirocinio la 3 F del Liceo Scientifico Jacopo da Ponte Aderisce al Piano Nazionale Informatico che prevede per quanto riguarda la fisica 3 ore settimanali per tutto 11 quinquennio E composta da 25 alunni di cui solo 4 sono ragazze una delle quali straniera Gli studenti di 3 F sono molto dotati da un punto di vista non solo delle conoscenze ma anche delle competenze unite ad un costante impegno e una buona motivazione allo studio E molto
62. ompare il MENU PRINCIPALE UWERHIER SOFTWARE PHYSICS con CEL o LABFEO PER LE CALCOLATRICI TISS TIS Z e Uoygage ii Uerslone 72003 ENTER Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 1 UNO e premere ENTER per conferma SONDE I FECU ATI 7 SALUAACANCELLA ESCI da PHYSICS MEHU PRIMNCIFPALE TYFE DR USE t4 ENTER DR ESC La successiva finestra consente di scegliere il tipo di sensore che si intende utilizzare Premere S8 ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA C MAGNETICO TENSIONE 10 SONDA 0 54 TENSIONE diff CORRENTE 20 Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CH1 del CBL al canale EHTER Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 5 secondi e 120 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma LLO TRA CAMPIONAMENTI IH SECONDI DIGITA HUMERO CAMPIONAMENTI 120
63. partimento di Fisica dell Universit di Padova che nell ambito della Associazione per la Didattica con le Tecnologie ADT e della Associazione degli Insegnanti di Fisica AIF Parte di questi studi reperibile in letteratura Un percorso sul piano inclinato si pu articolare sostanzialmente in quattro passi che possono essere affrontati in momenti e tempi diversi 1 studio del moto di un carrello che simula una massa puntiforme vale a dire un carrello dotato di ruote con momento di inerzia trascurabile 2 studio del rotolamento di cilindri pieni e cavi per focalizzare l attenzione sul ruolo del momento di inerzia 3 studio del rotolamento di sfere prima sul piano e poi su rotaia per evidenziare il ruolo del raggio giratore 4 studio del moto di un carrello con ruote massive per giungere all analisi di un sistema prossimo a fenomeni quotidiani In questo argomento voglio aggiungere solamente come la calcolatrice grafico simbolica permetta di ottenere con estrema facilit e in tempi brevissimi la velocit e l accelerazione una volta acquisiti 1 dati della posizione Questo oltre a permettere un notevole risparmio di tempo permette al ragazzi di avere subito davanti agli occhi le curve delle tre grandezze per il fenomeno appena osservato Come riportato nel testo Didattica della fisica a cura di M Vicentini e M Mayer l efficacia dell approccio didattico con 1 rilevatori di movimento stata valutata con test q
64. per esempio T C Nella colonna c3 inserire 1 valori di T Ta posizionandosi nella cella c3 e digitando CI 212 Cancellare la prima cella della colonna c2 e l ultima cella della colonna cl e quindi nella colonna c4 inserire posizionandosi sulla cella c4 e digitando cl c2 le variazioni di temperatura A T relative ad ogni intervallo di tempo Costruire il grafico di AT in funzione di T Ta Premere F2 Plot Setup selezionare spostandosi con il cursore Plot 2 e poi premere FI Define Si giunge ad una finestra in cul possibile Impostare il grafico tipo di grafico es scatter simbolo utilizzato per 1 punti es Box le variabili sull asse delle ascisse c3 per T Ta e sull asse delle ordinate c4 per AT Premere ENTER per salvare le impostazioni Se non presente il simbolo V prima di Plot 1 premere F4 V per selezionare 17 Visualizzare il grafico premendo il tasto APPS e di seguito selezionando l opzione 4 Graph o premendo il tasto diamond e 1l tasto F3 L andamento lineare conferma l ipotesi formulata E possibile determinare l equazione della retta dei minimi quadrati retta che meglio approssima 1 dati sperimentali Per fare questo tornare al foglio elettronico premendo 1 tasti APPS e 6 Data Matrix Editor e quindi 1 Current Premere FS Calc Scegliere l opzione LinReg per Calcutation Type c3 per l asse x e c4 per l asse Con il pulsante direzionale nella riga StoreRegEQ to selezionare y1 x
65. pi solida e articolata fra attivit sperimentali e trattazione teorica Con tale sistema possibile non solo ridurre 1 tempi necessari per un efficace analisi qualitativa dei fenomeni investigati e quindi gestire l attivit sperimentale in tempi compatibili con 1l ristretto orario scolastico ma anche ottenere una analisi quantitativa ricca di nuovi spunti per una comprensione approfondita dei problemi affrontati Si offre cos allo studente una palestra che stimola la sua iniziativa permettendogli al contempo di gustare un assaggio dei metodi di indagine della fisica Egli amplia la conoscenza sviluppata sui libri di testo troppo astratta se non sperimentata con gli oggetti del mondo di tutti 1 giorni In particolare in questo lavoro sono riportati alcuni esperimenti attuati nel corso del tirocinio diretto con un particolare tipo di RTL un sistema portatile costituito da una calcolatrice grafica tascabile connessa tramite interfaccia a diversi sensori L uso di calcolatrici grafiche nella scuola non nuovo in Italia Esso iniziato nell anno scolastico 1997 1998 in 20 licei scientifici con 11 progetto LabClass avviato dalla Direzione per l Istruzione Classica Scientifica e Magistrale nel Programma di Sviluppo delle Tecnologie Didattiche L obiettivo proposto concerneva l uso sperimentale di calcolatrici grafiche per l insegnamento della matematica Successivamente stato avviato un secondo progetto nazionale LabTec
66. piacevole e stimolante lavorare con questa classe ed possibile mantenere un livello alto durante le ore di lezione Il clima sereno sebbene gli alunni siano molto vivaci soprattutto durante le ore in laboratorio Non vi sono incomprensioni n tensioni n intolleranza verso la compagna straniera anzi vi sono molti atteggiamenti di collaborazione Il clima di lavoro all interno della classe quindi certamente molto positivo Viste le ottime capacit dei ragazzi la lezione frontale ridotta al minimo L insegnante coinvolge molto gli alunni ponendo loro domande o invitandoli a porre essi stessi delle domande o ad esplicitare 1 loro dubbi e perplessit Il fatto che con questa classe si possa lavorare mantenendo un ritmo elevato ha permesso alla docente di ipotizzare per loro un percorso che prevede diverse attivit extracurricolari molto stimolanti e un numero cospicuo di ore da passare in laboratorio Alcune considerazioni Nel corso dell esperienza di tirocinio ho cercato di dare risposta ad alcuni quesiti inerenti 11 lavoro di laboratorio che mi ero posta come vengono preparati gli esperimenti quanto impegno richiedono cosa viene chiesto agli studenti alla fine dell esperienza capire se sia utile introdurre la teoria prima o dopo sapere cosa ne pensano gli studenti se ritengono utili le esperienze oppure no COMe vengono preparati gli esperimenti e quanto impegno richiedono Mi sono resa conto che prima di fa
67. pubblico dominio tuttavia resta aperto e modificabile e non scatola nera immodificabile come la maggior parte dei software commerciali l O Fo A Rambelli B Pecori G Torzo Dalla palestra al laboratorio come coinvolgere una classe nello studio delle oscillazioni La Fisica nella Scuola XXXHI 2000 A Foschi G Guerrini L Paglialonga G Pezzi L Resta Esperimenti di fisica on line nel parco giochi di Mirabilandia Atti del IV Convegno Nazionale ADT I sensori progettati per essere collegati ad una calcolatrice grafica tramite un interfaccia sono molti Non necessario utilizzare 1 sensori in dotazione ma possibile scegliere anche fra quelli realizzati da varie ditte Vernier Pasco Edumad Il numero elevato di sensori lascia cos libero sfogo alla fantasia di scegliere quale esperimento effettuare e con quale sonda La predisposizione per il collegamento con un computer permette di salvare 1 file degli esperimenti eseguiti copiare le schermate della calcolatrice e stampare 1 grafici I costi contenuti delle calcolatrici grafiche e della interfaccia rendono 11 sistema RTL portatile accessibile a qualsiasi insegnante e istituto scolastico ed anche ad ogni singolo alunno La rappresentazione grafica Scrivono G Marucci del Ministero della Pubblica Istruzione e Adrian Oldknow del Chichester Institute of Higher Education Brighton Inghilterra La scelta delle calcolatrici grafiche introduce pr
68. r fare una esperienza al ragazzi necessario provarla correggerla se necessario e riprovarla nuovamente soprattutto se si tratta di un esperienza con uno strumento nuovo Questo per permettere al ragazzi di concentrarsi sull esperimento e quindi sulla fisica pi che sui problemi dati da un qualche software Cosa viene chiesto agli alunni alla fine dell esperienza Generalmente quando 1 ragazzi vanno in laboratorio a fare un esperienza si chiede loro di stendere una relazione Questo soprattutto perch in genere sono esperimenti che fa il tecnico mentre 1 ragazzi osservano quindi lo scrivere una relazione serve anche perch si fissino in testa quello che hanno visto Nel caso degli esperimenti di termologia presentati 1 ragazzi fanno tutto da soli pur seguendo delle schede gi pronte per cui oltre che a ricordare se vedo ricordo capiscono se faccio capisco E utile comunque prevedere una lezione di presentazione dell esperienza al compagni questo per permettere loro di rendersi conto dei possibili errori commessi e di imparare ad utilizzare un linguaggio rigoroso CQpire se sia utile introdurre la teoria prima o dopo Non che da un solo argomento affrontato in laboratorio s1 possa dedurre una regola ma in base all esperienza nel tirocinio diretto e indiretto ho confermato la mia ipotesi che pi facile e pi fruttuoso introdurre la teoria dopo che gli studenti hanno gi affrontato alcune esperie
69. rafica TI 89 connessa tramite interfaccia a diversi sensori di temperatura E pi facile e pi fruttuoso infatti introdurre la teoria dopo che gli studenti hanno gi affrontato alcune esperienze di laboratorio inerenti 1l tema che si vuole presentare E pi facile perch mentre si spiega si riprende quello che stato osservato Vi ricordate quando avete fatto cos e cos in laboratorio e cosa avete trovato Partendo dalle esperienze eseguite dai ragazzi tutto pi semplice E pi fruttuoso perch 1 ragazzi si rendono conto che 1 concetti spiegati nei libri non sono cose astratte o slegate dalla realt Inoltre far riferimento durante la spiegazione al lavoro fatto coinvolge molto pi 1 ragazzi alla lezione stessa perch si sentono spronati a dare la loro interpretazione di quello che hanno visto in laboratorio Propongo quindi di svolgere l attivit dopo che l insegnante ha affrontato in classe il modulo relativo alla temperatura e le propriet dei corpi e quindi in particolare ha trattato il modello atomico la temperatura il gas perfetto la teoria cinetica dei gas ma prima di trattare 11 modulo relativo al calore e ai cambiamenti di stato Descrizione sintetica delle fasi di lavoro Riporto tra parentesi le fasi di lavoro che svolge l insegnante senza il coinvolgimento dei ragazzi preparazione della scheda da consegnare ai ragazzi sull attivit di laboratorio prova della scheda e sua eve
70. re 11 MENU PRINCIPALE 31 Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 2 DUE e premere ENTER per conferma A questo punto si devono indicare 1 tipi di sensore che si intendono utilizzare Premere S ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA per la prima sonda Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CH1 del CBL Ripetere la scelta delle opzioni 8 ALTRO e 6 TEMPERATURA e connettere 1l secondo sensore al canale CH2 del CBL Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 12 secondi e 200 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 2 4 x 10 secondi vale a dire 40 minuti confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la
71. retazioni del fenomeno osservato Gli studenti sono stati entusiasti di utilizzare le calcolatrici grafico simboliche per tanti esperimenti insieme e soprattutto di poter fare tutto da soli Le nuove tecnologie informatiche hanno un impatto notevole sui giovani studenti L unico problema che 1 ragazzi al momento di agire sembrano un po disorientati Ho potuto anche notare che 1 ragazzi non sono per niente abituati a lavorare senza essere seguiti dall insegnante infatti gi prima di leggere le schede informative degli esperimenti chiedono spiegazioni oppure vanno un po a caso Bastano per poche lezioni di laboratorio perch l entusiasmo cresca come anche la familiarit con il sistema RTL I ragazzi lavorano freneticamente spinti da un grande entusiasmo per quello che riescono a rilevare si fanno domande sul perch di quei risultati st propongono di svolgere qualche altro esperimento Il clima in laboratorio molto vivace Una scheda informativa con guida al docente Riporto ora una scheda di lavoro per introdurre in classe le schede Esperimenti di termologia e Equilibrio termico e di seguito un idea di come impostare il lavoro sull esperimento di Il t al latte SCHEDA INFORMATIVA Scansione oraria prevista per lo sviluppo del percorso ore per la preparazione verifica e correzione delle schede da parte dell insegnante 4 ore per l attivit di laboratorio 1 ora per la lezione guidata
72. rgia maggiore in b che in a La quantit di calore ceduta in b complessivamente maggiore che in a e la temperatura finale dell acqua minore in b che in a 41 Conclusioni Ho voluto inserire questo lavoro in un contesto di ricerca che riguarda la sperimentazione delle calcolatrici grafiche in ambito didattico con l intento di dimostrare 1 possibili vantaggi che tale strumento pu offrire alla didattica sperimentale Negli anni recenti l uso del laboratorio didattico nell insegnamento della fisica si notevolmente ridotto in parte per la necessit di avere a disposizione molto tempo per la preparazione degli esperimenti e per l acquisizione dei dati in parte per il costo notevole degli apparati didattici tradizionali Con 1 sistemi RTL queste difficolt possono essere superate La facilit l immediatezza la flessibilit d uso e il costo contenuto di questi sistemi offrono agli insegnanti una vasta gamma di percorsi didattici rendendo possibili anche integrazioni fra diversi settori della fisica In questo lavoro ho accennato ad un possibile percorso di laboratorio con RTL indicando alcuni classici argomenti di fisica e indagando altri aspetti raramente affrontati nella didattica tradizionale Disporre di un laboratorio RTL significa poter contare su una tecnica di esecuzione di esperimenti con le seguenti caratteristiche rapidit e accuratezza nell acquisizione di molti dati relativi al fenomeno in esam
73. sica che sta sotto l esperimento ma anche sul loro modo di operare Vista la rapidit dell esperienza utile che la discussione sia fatta subito dopo in modo che 1 ragazzi abbiano ancora davanti a s 1 due bicchieri con 1 t al latte In questo modo essi stessi si rendono subito conto del perch di quel risultato un po anomalo La quantit di latte aggiunta poco prima della fine dell esperienza minore della quantit di latte aggiunta nel primo bicchiere Il confronto non pu quindi essere fatto Una volta stabilita la risposta corretta al problema presentato si pu iniziando a introdurre la teoria coinvolta nell esperimento portare 1 ragazzi alle seguenti considerazioni Un corpo prede energia per irraggiamento convenzione conduzione evaporazione ad un ritmo tanto pi sostenuto quanto maggiore la differenza di temperatura con l ambiente a parit di tutte le altre condizioni Dal momento in cui si aggiunta l acqua fredda nel primo bicchiere a a quello in cui si aggiunge acqua al secondo bicchiere b la temperatura nella curva b maggiore che nella curva a Per tutto questo tempo la perdita di energia maggiore in b che in a allora le due curve non possono essere parallele La quantit di calore ceduta in b complessivamente maggiore che in a e la temperatura finale dell acqua minore in b che in a 14 Scheda n 1 Scopo dell esperienza Studiare l andam
74. sogna considerare anche il contenitore Esperimento legge di Boyle Fi F F4 FEr Fr F7 Fir F F4 FEr Fr F7 Fir F F4 FEr Fr F7 Tools Tracefkx3raphftath bDeguwi Fen Too Tracefkx3raph tath Deauwi Fen Too Tracefkx3raphftath bDeauwi Fen E F E E HAN E FA AFFEON FUNC BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC Questo un esperimento che hanno visto tutti i gruppi E tutti sanno esattamente cosa doveva venire E l esperimento che ha creato meno entusiasmo Forse proprio perch gi sapevano quale doveva essere il risultato Esperimento t al latte Fir F F4 FEr Fr F7 F F4 FEr F r F7 Fir F F4 FEr Fr F7 Tools Tracefkx3raphftath Deguwi Fen Tracefkx3raph tMath Deauwi Fen Too Tracefkx3raphftMath Deguw Fen Tt T RAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC BAD AFFEOS FUNC 44 Bibliografia AA VV L insegnamento della fisica le professioni l Europa Atti del XXXVIII Congresso Nazionale AIF Ferrara 1999 pubblicati in La fisica nella scuola XXXIV supplemento 2001 L insegnamento della matematica e delle scienze sperimentali con le calcolatrici grafiche e simboliche a cura di Brandolin P Cerasoli M e Torzo G Atti del 1 convegno internazionale ADT Preganziol Tv 1999 Le calcolatrici CBL nel laboratorio di fisica Quaderni del Ministero della Pubblica Istruzione in collaborazione con Texas Instruments Pitagora Editrice Bo 1998 Strategie dell insegnamento della fisica il ru
75. sto ENTER Scegliere l opzione 2 DUE per poter utilizzare due sonde di temperatura e premere ENTER per conferma A questo punto si devono indicare 1 tipi di sensore che si intendono utilizzare Premere 8 ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA per la prima sonda Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CHI del CBL Ripetere la scelta delle opzioni 8 ALTRO e 6 TEMPERATURA e connettere 1l secondo sensore al canale CH2 del CBL Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 5 secondi e 120 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 600 secondi confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione Scegliere l opzione che si preferisce facendo attenzione per che nel primo caso
76. sullo schermo compare la curva che descrive la variazione della temperatura in funzione del tempo e in basso a destra la scritta BUSY Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista L1 e 1 valori corrispondenti alla temperatura nella lista L2 Premendo ENTER possibile osservare il grafico temperatura in funzione del tempo scegliendo l opzione 2 e quindi l opzione Premendo il tasto 7 ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER 16 Salvare i dati raccolti A questo punto si pu richiedere 11 salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal MENU PRINCIPALE La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti Selezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al menu principale senza salvare Il passo successivo scegliere se archiviare o no 1 dati salvati Nel secondo caso possibile modificare i dati ma essi vengono salvati nella memoria RAM riducendone lo spazio libero Normalmente consigliabile archiviare 1 dati sempre possibile eliminare l archiviazione premendo l opzione 9 Unarchive Variable
77. ta BUSY se stata scelta la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare 1il grafico temperatura in funzione del tempo Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura nella lista L2 Premendo ENTER possibile osservare il grafico temperatura in funzione del tempo scegliendo l opzione 2 e quindi l opzione Dovrebbe essere visibile la sosta termica in concomitanza con il passaggio di stato dell acqua da liquido a solido corrispondente a una temperatura di 0 C Qualora si utilizzi acqua di rubinetto anzich acqua distillata la sosta termica si verifica ad una temperatura compresa tra 0 C e 1 C Premendo il tasto 7 ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei dati raccolti scegliere l opzione 1 NO e confermare premendo ENTER Salvare i dati raccolti A questo punto si pu richiedere il salvataggio dei dati selezionando l opzione 7 SALVA CANCELLA dal MENU PRINCIPALE La finestra che compare dotata di un pop up men permette di sovrascrivere variabili DATA files gi esistenti in memoria oppure di scegliere un nuovo nome col quale salvare 1 dati appena acquisiti Selezionando ALTRO compare infatti la seconda finestra SALVA CON NOME mentre scegliendo ESCI si torna al menu principale senza salvare Il passo successivo sceg
78. ta del partitore verso la tensione in ingresso Poi si studiano le caratteristiche I V grafico della corrente che attraversa l elemento in funzione della tensione applicata Esperimenti introduttivi di elettrodinamica RC RL Con il sistema RTL proposto possibile affrontare alcuni esperimenti per lo studio del comportamento di capacit e induttanze Diversamente dagli esperimenti in corrente continua o in corrente alternata con componenti solo resistivi che sostanzialmente si riducono a banali applicazioni della legge di Ohm gli esperimenti in c a con capacit e Induttanze non sono sempre di semplice esecuzione Ad esempio si consideri il caso dello studio di carica scarica di un partitore RC Tradizionalmente se si sceglie una coppia resistenza capacit con una costante di tempo abbastanza lunga alcuni secondi tale da poter essere agevolmente misurata leggendo manualmente la tensione durante il processo sorgono difficolt o per il fatto che 1 condensatori di grande capacit decine o centinaia di uF sono elettrolitici e quindi sensibili al valore della tensione di polarizzazione e richiedono attenzione con 1l segno della polarit o per il fatto che valori troppo elevati della resistenza centinaia di KQ rendono non sempre trascurabile l impedenza di ingresso del voltmetro utilizzato Se invece la costante di tempo piccola il processo di carica scarica avviene assai rapidamente e lo strumento che tradizionalmente si dev
79. tire l acquisizione dati predisposta Con la modalit DURANTE ACQUISIZIONE sulla calcolatrice compare 1l grafico temperatura in funzione del tempo Dopo poco tempo dall inizio dell acquisizione quanto basta per verificare che le temperature iniziali sono le stesse e che diminuiscono allo stesso modo versare in uno dei due bicchieri dell acqua a temperatura ambiente Poco prima della fine del tempo a disposizione ripetere la medesima operazione nell altro bicchiere Osservazione dei dati raccolti Terminata l acquisizione il programma comunica di aver memorizzato 1 tempi nella lista LI e 1 valori corrispondenti alla temperatura rispettivamente nella lista L2 per 40 la sonda collegata al canale 1 del CBL e nella lista L3 per la sonda collegata al canale 2 del CBL Premendo ENTER possibile scegliere quale variabile vedere disegnata in un grafico in funzione del tempo la temperatura rilevata dalla prima sonda la temperatura rilevata dalla seconda sonda entrambe le temperature Scegliere la voce 3 ENTRAMBI per confrontare 1 grafici della temperatura nelle due situazioni considerate La schermata successiva indica con quale segno grafico verranno indicati 1 dati sperimentali delle due acquisizioni Si possono leggere nel grafico 1 valori della temperatura nei vari punti usando il comando F3 TRACE Premendo l opzione ESCI viene chiesto se si desidera ripetere oppure no l acquisizione dei dati Se si soddisfatti dei d
80. to in laboratorio Il modo di affrontare questa esperienza da parte di un insegnante condiziona subito l idea che un alunno si fa della fisica Quando l insegnante dice lt lt Supponiamo che il piano orizzontale sia effettivamente tale supponiamo che l attrito non ci sia Supponiamo che 1 vari corpi siano puntiformi Supponiamo gt gt l apparato sperimentale risulta privato di ogni legame con gli oggetti della vita quotidiana e appare in fondo un particolare giocattolo che interessa quasi esclusivamente l insegnante Analoghe considerazioni valgono nel caso delle oscillazioni del pendolo ove tradizionalmente ci si limita alle piccole oscillazioni per restare nel mondo ideale dei sistemi lineari Purtroppo per 1 sistemi reali sono quasi sempre non lineari L elettromagnetismo resta ancora quello meno affrontato nei laboratori delle scuole secondarie e a nostra conoscenza ancora abbastanza inesplorato con la tecnica RTL Oltre ad uno studio approfondito del fenomeno della risonanza RLC possibile affrontare l analisi di vari componenti non lineari nel trasporto di carica elettrica puntando da un lato a coprire un settore potenzialmente interessante per gli studenti appassionati alla tecnologia dall altro ad abbattere le tradizionali barriere tra diversi comparti nell insegnamento della fisica Lo studio del comportamento elettro ottico di una lampadina a filamento di un diodo LED di una cella fotov
81. trova nella parte superiore del cilindro Una parte intermedia in cui si assiste ad una fase di riassestamento in cui le temperature degli strati fluttuano sino a portarsi in una condizione vicina all equilibrio termico nel quale le sonde rilevano praticamente la stessa temperatura Una parte finale in cui ridiventa visibile 11 fatto che l acqua a temperatura superiore s1 trova negli strati superiori del cilindro Per l alcool si dovrebbe osservare una forma pi regolare delle tre curve La sonda che si trova pi in alto dovrebbe misurare sempre una temperatura superiore rispetto alle altre due Questo significa che per tutto l intervallo di temperature esplorato all aumentare della temperatura aumenta 11 volume del liquido e la sua densit diminuisce 30 Scheda n 4 Scopo dell esperienza Fornire una semplice procedura sperimentale che possa essere utile a illustrare e far comprendere 11 fenomeno dell equilibrio termico Strumenti e materiali utilizzati Calcolatrice grafico simbolica TI 89 CBL Cavo di collegamento CBL TI 89 2 sensori di temperatura Un thermos o un contenitore cilindrico di polistirolo con coperchio Un palloncino di gomma che possa contenere una quantit d acqua di almeno 100 cm Un recipiente graduato fornito di beccuccio che permetta di misurare le quantit d acqua e di riempire agevolmente 11 palloncino 100 cm di acqua fresca per esempio ad una temperatura di 18
82. uestionari e metodi osservativi ed stata confrontata con 1 tradizionali approcci allo studio del moto Sono stati riscontrati forti miglioramenti sia per quel che riguarda la comprensione dei concetti trattati sia per quel che riguarda la comprensione e l utilizzazione di rappresentazioni grafiche Inoltre cosa molto importante risultata evidente una notevole permanenza dei concetti appresi Oscillatori armonici ed anarmonici I modelli di pendolo semplice e di oscillatore massa molla sono discussi in modo pi o meno rigoroso in quasi tutti 1 testi di fisica e sono tra gli esperimenti pi gettonati in un laboratorio di fisica Di solito ci si limita a spiegare agli allievi che il moto armonico prodotto da una forza di richiamo proporzionale allo spostamento che in tale sistema il periodo non dipende dall ampiezza e che lo spostamento varia nel tempo in modo sinusoidale Poco o niente viene detto sul moti anarmonici perch ritenuti troppo complessi e difficili da trattare Purtroppo per 1 sistemi reali sono quasi sempre non lineari E cos la fisica sperimentata a scuola rimane completamente svincolata dalla fisica del mondo reale Per evitare in questo caso il contrasto tra il mondo artificioso del laboratorio didattico e 11 mondo reale basterebbe invece sfruttare appieno le possibilit offerte da un esperimento sul moto del pendolo e osservare le caratteristiche non solo del moto quasi armonico approssimazione vali
83. ul display premere F2 e quindi l opzione 9 Zoom Data L andamento dei dati sembra indicare una relazione di proporzionalit diretta tra le due grandezze E possibile determinare la retta di interpolazione y a x b Per fare questo tornare al foglio elettronico premendo 1 tasti APPS e 6 Data Matrix Editor e quindi 1 Current premere F5 Calc Scegliere l opzione LinReg per Calcutation Type c4 per l asse x e cl per l asse y Con il pulsante direzionale nella riga StoreRegEQ to selezionare y1 x e premere ENTER per conferma Premere nuovamente ENTER per salvare le Impostazioni Il software fornisce l equazione della retta dei minimi quadrati il coefficiente di correlazione e il suo quadrato I parametri dell equazione vengono salvati automaticamente nell equazione y1 x dell ambiente Y ambiente che si raggiunge digitando il tasto diamond e il tasto F1 ma utile riportarli nel quaderno di lavoro Un coefficiente di correlazione molto vicino a 1 indica l esistenza di una relazione lineare tra 1 valori delle colonne c4 e c1 Premere APPS e digitare 4 Graph oppure F3 Viene disegnata la retta di interpolazione assieme ai dati sperimentali Osservazione Per una conferma dell ipotesi di proporzionalit inversa tra volume e pressione la retta di interpolazione dovrebbe passare per l origine degli assi Perch invece 1l coefficiente b della retta non nullo Spiegazione alle osservazioni Si tratta d
84. unque stimolare 1l loro interesse verso la scoperta scientifica e lo studio della natura questa proposta ne un esempio Come valutare l attivit Affinch gli alunni si sentono pi liberi di esprimersi di provare e di tentare ulteriori esperienze non valuterei l attivit di laboratorio in s evitando cos di mettere ansia nel sapere che ci che fanno andr valutato L attivit di laboratorio un modo per stimolare 1 ragazzi all indagine e sviluppare la loro conoscenza troppo astratta se sviluppata solo sui libri di testo e non sperimentata La facilit e l immediatezza d uso del sistema RTL possono offrire agli studenti un sostanziale supporto allo studio permettendo un integrazione pi solida e articolata fra attivit sperimentali e trattazione teorica E preferibile quindi alla relazione una discussione aperta in classe con lo scopo di costringere ad un riesame delle ragioni per cui s1 operato in un certo modo e ad una verifica sulla coerenza dei risultati introducendo la teoria La prova di verifica verter quindi sull intero modulo calore e cambiamenti di stato che stato introdotto partendo da esperienze di laboratorio Come impostare il lavoro sull esperimento del t al latte Incuriosiamo 1 ragazzi ponendo loro il problema del viaggiatore che vuole bere un t al latte ed ha molta fretta Le soluzioni date dai ragazzi sono varie Alcuni studenti ritengono che aggiungendo subito 1il latte a
85. vaporazione del liquido che raffredderebbe lo strato superficiale Una volta terminata la misura con l acqua ripetere la misura utilizzando altri liquidi preventivamente raffreddati Zi Preparazione del sistema di acquisizione dati Collegare la calcolatrice con CBL mediante l apposito cavetto Accendere la calcolatrice e 11 CBL Sulla riga di comando dell ambiente HOME della calcolatrice digitare la parola physics Premere ENTER Compare una schermata in cui viene richiesto il modello di calcolatrice che si sta utilizzando Muovendosi con il cursore o digitando direttamente 1l numero 1 scegliere l opzione 1 TI 89 Schiacciare il tasto ENTER per confermare 11 modello TI 89 La finestra che si apre indica la versione del software physics caricato nella TI 89 che si sta utilizzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 3 TRE e premere ENTER per conferma A questo punto si devono indicare 1 tipi di sensore che si intendono utilizzare Premere S ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA per la prima sonda Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CHI del CBL Ripetere la scelta delle opzioni 8 ALTRO e 6 TEMPERATURA e connettere 1l secondo sensore al canale CH2 de
86. za timore di essere presi in giro Il laboratorio educa quindi all ascolto e all apertura mentale sviluppa la capacit di concentrarsi di analizzare 1 problemi sotto pi punti di vista dal momento che gli esperimenti che si studiano di solito vedono l applicazione contemporanea di pi principi teorici insegna a prendere l iniziativa ad imparare a rischiare ad imparare a fare a meno del docente e quindi a lavorare in maniera autonoma Cosa che 1 ragazzi non sembrano abituati a fare come ho potuto rendermi conto nel tirocinio diretto La realizzazione pratica degli esperimenti promuove negli studenti la capacit di operare in maniera ordinata e precisa prestando la dovuta attenzione ai dettagli l interpretazione dei risultati sviluppa la capacit di ragionare e il senso logico la presentazione dell esperienza al compagni insegna ad utilizzare un linguaggio rigoroso La classe come mi hanno ricordato i corsi di area comune un insieme di menti eterogenee ognuna funziona un po a modo suo chi si trova meglio con le formulazioni tecnico matematiche chi va meglio nelle cose pratiche chi pi interessato a un approccio storico Probabilmente quindi non esiste una metodologia didattica ma pi metodologie adeguate a momenti diversi del processo a problemi diversi a diversi stili cognitivi E utile quindi utilizzare una mescolanza di tecniche Considerando le differenze individuali e culturali degli studenti occorre
87. zionalit diretta tra una grandezza e il reciproco dell altra Uscire dal programma physics scegliendo dal MENU PRINCIPALE l opzione 8 ESCI da PHYSICS Analizzare 1 dati su un foglio elettronico entrando nell ambiente DATA MATRIX EDITOR Premere 11 tasto APPS applications selezionare l opzione 6 Data Matrix Editor e quindi l opzione 1 Current Nella foglio elettronico compaiono 1 valori del volume nella prima colonna e quelli della pressione nella seconda Nelle celle immediatamente sopra le due celle cl e c2 si possono scrivere le intestazioni per esempio V emi e P kPa Nella colonna c3 se si svolto 11 metodo 2 sono inseriti 1 valori del prodotto PV 36 Nella colonna c4 inserire 1 valori dell inverso della pressione digitando 1 c2 Costruire il grafico del volume in funzione del reciproco della pressione Premere F2 Plot Setup e poi premere FI Define Si giunge ad una finestra in cui possibile Impostare il grafico tipo di grafico es Scatter simbolo utilizzato per 1 punti es Box le variabili sull asse delle ascisse c4 per il reciproco della pressione e sull asse delle ordinate cl per il volume Premere ENTER per salvare le Impostazioni Se non presente 11 simbolo y prima di Plot 1 premere F4 y per selezionare Visualizzare il grafico premendo il tasto APPS e di seguito selezionando l opzione 4 Graph o premendo il tasto diamond e 1l tasto F3 Se il grafico non appare s
88. zzando Premendo ENTER compare 11 MENU PRINCIPALE Predisposizione sonda La prima opzione del MENU PRINCIPALE PREDISPOSIZIONE SONDE Premere ENTER Si arriva ad una finestra nella quale viene richiesto quante sonde si intendono usare Scegliere l opzione 1 UNO e premere ENTER per conferma La successiva finestra consente di scegliere il tipo di sensore che si intende utilizzare Premere S8 ALTRO e quindi 6 TEMPERATURA Seguire le istruzioni scritte sul display della calcolatrice collegando il sensore di temperatura al canale CH1 del CBL 15 Acquisizione dati Dal MENU PRINCIPALE selezionare l opzione 2 ACQUISIZIONE che offre una scelta tra diverse modalit di acquisizione dei dati Digitare 2 GRAFICO vs TEMPO per registrare 1 dati in funzione del tempo Tale scelta porta ad una schermata che richiede l intervallo di tempo tra 1 campionamenti in secondi e il numero di punti che si desiderano campionare Per esempio scegliere 5 secondi e 36 campionamenti Dopo ogni digitazione premere ENTER per conferma Dopo una schermata di controllo che visualizza la durata complessiva dell esperimento in questo caso 180 secondi confermare la scelta con ENTER e poi con l opzione 1 OK Se non si soddisfatti della scelta fatta premere l opzione 2 MODIFICA VALORI Nella finestra in cui si giunge c la possibilit di scegliere tra un grafico tracciato al termine dell acquisizione o durante l acquisizione Nel secondo

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