oggetti e concetti: forza e interazione

D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2003 – 2004”

OGGETTI E CONCETTI: forza e interazione

La fionda

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Lanciare piccoli oggetti

Il dinamometro

Tiro alla fune

Giochi su una bilancia da bagno

La bottiglia e la gravità

Tarare un elastico

Tirare per vincere

Pesare “di meno” o “di più”

Scoprire la forza di gravità

• forza e interazione• direzione delle forze: il vettore forza

• misura di una forza dai suoi effetti• elasticità

• azione e reazione• attrito

• azione e reazione

• trasmissione delle forze

• l’interazione Terra-oggetto• forza di gravità e forza peso• massa e forza peso

Una bilancia che funziona in uno strano modo Far cambiare il “peso” • massa e forza peso

Forza e interazione-1

Forza e interazione Preparazione di

Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Consegna: tutto quello che si può fare con elastici, bastoncini, bilance da bagno, metro a nastro, palline e oggetti vari

Occhiello forza• forze uguali producono effetti uguali, • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti, • con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico,• il dinamometro deve essere tarato misurando gli allungamenti prodotti da forze note,• una forza nota è ad esempio la forza-peso che agisce su un nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg.

Azione e reazione• le forze sono sempre "accoppiate"; se una persona/cosa fa forza (azione) su un'altra persona/cosa, quest'ultima applica a sua volta alla prima una forza uguale e diretta in verso opposto (reazione), • azione e reazione sono perciò applicate a due oggetti diversi• è importante, nel rappresentare le forze di azione-reazione mediante frecce, prestare molta attenzione al punto di applicazione di ciascuna forza, oltre che alla sua intensità e direzione: la freccia va posta con la “coda” il più vicino possibile al punto di applicazione,• nel comporre le forze applicate a un certo oggetto, in presenza di forze di azione e reazione, è importante tenere conto solo delle forze applicate a quell'oggetto e non delle forze di azione o reazione che quell'oggetto esercita su altri oggetti.

F 0,1 kg 9,8 m/s2 0,98 N 1 N


Forza e interazione Preparazione di

Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

1 N è circa pari alla forza-peso di un oggetto di 0,1 kg

F 0,1 kg 9,8 m/s2 0,98 N 1 N


Aspetti didattici: - per far forza occorre essere in due - ci sono diversi tipi di forze, cioè diversi modi di interagire (muscolare,

elastica, forza-peso)- relazione tra le distanze di lancio e la forza, l’allungamento dell’elastico

e il tipo di pallina

Forza e interazione: la fionda

Attacco (spunti e continuità): - gare di lanci

Riferimenti (dove, come e per chi): - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere,

sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998 (C)

- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C)

- www.iapht.unito.it (L)- www.funsci.com (L)


Concetti: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono• per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione• la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc.,

Oggetti: un bastoncino robusto a forma di Y, un elastico, alcune palline (di plastica leggera o di carta appallottolata)

Attività: • tenere il manico della fionda con una mano• con l’altra tirare l’elastico stringendo la pallina tra le dita• individuare i soggetti/oggetti dell’interazione• scegliere la giusta orientazione prima di lasciare andare la pallina

SicurezzaUtilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap

Forzadito-elastico

Forzamano-bstoncino

Forza e interazione-4a

Forza e interazione: la fionda

La fisica: •la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono• per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione• la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc.

Forza e interazione-4b

Contesto:- è importante che ogni ragazzo costruisca la propria fionda, perché l’appropriazione dell’oggetto comporta e favorisce l’appropriazione del concetto

- la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare

- l’analisi dei lanci con la fionda consente di affrontare problematiche legate alla metrologia ( misura di lunghezze) o alla taratura di uno strumento (taratura dell’elastico)

Forzadito-elastico

Forzamano-bstoncino

Aspetti didattici: - anche la forza di gravità è l’espressione di un’interazione fra due corpi,

uno dei quali è la Terra - evitare possibilmente la parola “peso”

Forza e interazione: la bottiglia e la gravità

Attacco (spunti e continuità): - quella attrazione misteriosa verso il basso ….




- www.iapht.unito.it (L)- www.funsci.com (L)


Concetti: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • tutti i corpi, lasciati liberi, cadono verso il basso a causa dell’interazione con la Terra • la forza di gravità o forza-peso è appunto la forza che caratterizza l’interazione fra l’oggetto e la Terra (FTerra-oggetto ) • la forza di gravità o forza-peso non è una proprietà dell’oggetto ma della sua interazione con la Terra •per riferirsi a tale interazione, la parola “peso” è ambigua, è meglio usare l’espressione “forza-peso” •per riferirsi invece alla quantità di materia che costituisce il corpo, occorre usare la parola “massa” per evitare l’ambiguità della parola “peso”

Oggetti: un elastico, una bottiglia di plastica o altri oggetti pesanti, un gancio a S

Attività: • mettere acqua nella bottiglia per appesantirla•appenderla all’elastico con il gancio a S•osservare l’allungamento dell’elastico in relazione alla quantità di acqua


ForzaTerra-bottiglia

Forzabottiglia-elastico


Forza e interazione: la bottiglia e la gravità

La fisica: la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • tutti i corpi, lasciati liberi, cadono verso il basso a causa dell’interazione con la Terra • la forza di gravità è appunto la forza che caratterizza l’interazione fra l’oggetto e la Terra (FTerra-oggetto ) • essa non è una proprietà dell’oggetto ma della sua interazione con la Terra • in assenza di altre interazioni essa diventa la forza-peso, cioè la forza che attira l’oggetto verso il basso •per riferirsi a tale interazione, la parola “peso” è ambigua, è meglio usare l’espressione “forza-peso” •per riferirsi invece alla quantità di materia che costituisce il corpo, occorre usare la parola “massa” per evitare l’ambiguità della parola “peso”

ForzaTerra-bottiglia

Forzabottiglia-elastico


Contesto:- la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare

- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore

Aspetti didattici: - con la taratura l'elastico diventa un dinamometro, tarato in unità di

forza-peso degli oggetti appesi - unità di misura di una forza arbitrarie (numero di bottigliette appese,

…) e convenzionali (sistema SI)

Forza e interazione: il dinamometro

Attacco (spunti e continuità):quanto forte è “braccio di ferro”?




- S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A)

- www.iapht.unito.it (L)


Concetti: forze uguali producono effetti uguali per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg• sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con gli allievi perché può essere confusa con l’unità di misura della massa (kg)

Oggetti: un elastico, un metro a nastro di carta e una serie di oggetti tutti uguali che si possano appendere facilmente

Attività: • quando l'elastico è scarico, segnare sul nastro lo "zero" in corrispondenza della sua fine• appendere poi un oggetto (ad esempio, una bottiglietta piena d’acqua) e segnare una prima tacca in corrispondenza della fine dell'elastico, una seconda tacca in corrispondenza di due oggetti appesi, e così via • ricordare di indicare sempre l'unità di misura usata• organizzare i dati in una tabella e costruire il grafico di taratura



Forza e interazione: il dinamometro

La fisica: forze uguali producono effetti uguali • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti • con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico• nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg• sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con gli allievi perché può essere confusa con l’unità di misura della massa (kg)

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6N

cm

grafico di taratura

volume (ml) 0 100 200 300 400 500forza (N) 0 1 2 3 4 5lungh. (cm) 20 22 24,5 28 32 38


Contesto:- la discussione circa la necessità della taratura dell’elastico è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo di scuola elementare

- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e alla situazione didattica- la rappresentazione grafica dei dati raccolti (grafico di taratura)e la relativa interpretazione è consigliata in modo particolare per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore


Aspetti didattici: - individuare tutte le forze - distinguere fra massa e forza peso

Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo

Attacco (spunti e continuità): - gare di forza






Concetti: • massa e forza peso• la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia )

Oggetti: una bilancia da cucina, una bottiglietta, un dinamometro

Attività: • mettere la bottiglietta contenente acqua sulla bilancia e pesarla• sollevarla lentamente tenendola per la cima e osservare come cambia il “peso” •eventualmente sollevarla tenendola con un dinamometro e misurare contemporaneamente la forza che il dinamometro registra e la variazione di forza peso •individuare tutte le forze che agiscono sulla bottiglietta mentre la si solleva

FTerra-bottiglia

Fdita-bottiglia


Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo

La fisica: • massa e forza peso• la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia )• questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani)• le forze si compongono (somma vettoriale, cioè somma che tiene conto della direzione)• le forze si trasmettono (in questo caso dalla bottiglietta alla bilancia)

nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 100 g di massa corrisponde circa 1 N!

FTerra-bottiglia

Fdita-bottiglia


Contesto:- la conduzione dell’ attività, a livello qualitativo, è fattibile a partire dalla prima media- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il

fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore)

Aspetti didattici: - nel rappresentare mediante frecce le forze che si trasmettono, prestare

molta attenzione a indicare correttamente i punti di applicazione, la direzione, l‘ origine e il destinatario di ciascuna forza

Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno

Attacco (spunti e e continuità): attività ludiche in coppia






Concetti:• in un oggetto solido le forze si trasmettono da un punto all'altro mantenendo la loro direzione • azione e reazione

Oggetti: due bilance da bagno, un elastico tarato, una riga pieghevole

Attività: chiedere• a due studenti di salire ciascuno su una bilancia da bagno e di “leggere” la propria massa e convertirla in unità di forza• a uno di loro di tirare verso il basso l’elastico, che l’altro sta invece tirando verso l'alto • di leggere nuovamente la propria massa e convertirla in unità di forza•confrontare la variazione con la forza applicata dall’elastico Sicurezza

Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap

FTerra-ragazzo

Felastico-ragazzo

F…….

F…….


Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno

La fisica: • la massa dei due ragazzi non cambia quando tirano l’elastico, cambia invece la loro forza peso perché si trovano a “interagire” fra di loro attraverso l’elastico (Felastico-ragazzo, Felastico-amica ) oltre che con la Terra (FTerra-ragazzo, FTerra-amica)• questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani)• le forze si compongono; la somma è vettoriale, cioè tiene conto della direzione: Fpesoragazzo = FTerra-ragazzo- Felastico-ragazzo; Fpesoamica = FTerra-amica+ Felastico-amica

• usando un elastico tarato, si può verificare che la “nuova” forza peso è uguale alla precedente più (o meno) la forza F corrispondente all’allungamento dell’elastico (F=Felastico-ragazzo= Felastico-amica)• le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di uno dei due, attraverso l’elastico, alla mano dell’altro)• azione e reazionenota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 100 g di massa corrisponde circa 1 N!

F Terra-ragazzo

F elastico-ragazzo

F elastico-amica

FTerra-amica

Contesto:-l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola

elementare- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla

classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore)



Aspetti didattici: - forze “visibili” (muscolari degli studenti) e “non visibili” (elastica, di

gravità, studente-pavimento, pavimento-studente…)

Forza e interazione: tiro alla fune

Attacco (spunti e continuità): - gare di forza






Concetti: • direzione delle forze• azione e reazione• attrito

Oggetti: una lunga fune, una bandierina, una stuoia antiscivolo

Attività: • fissare la bandierina a metà della fune• chiedere a due studenti di afferrare le due estremità, poi di allungarla e tirarla in direzioni opposte• lasciare che tirino la fune restando sul pavimento liscio• poi fare ripetere l’esercizio dopo avere messo la stuoia sotto i piedi di uno di loro (possibilmente il “più debole”

SicurezzaUtilizzando funi od elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap

FMonica-fune

F…….


Forza e interazione: tiro alla fune

La fisica:

• le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di una delle due, attraverso la fune, alla mano dell’altra)• azione e reazione: le forze sono uguali e contrarie, ma applicate a persone diverse (FM-G = FG-M) • ogni ragazza è in equilibrio perché interagisce con il pavimento con una forza uguale e contraria alla forza di interazione con la fune (FG-M = Fpav-M)• nell’interazione fra le scarpe e il pavimento gioca un ruolo essenziale l’attrito

nota bene: perché un corpo sia in equilibrio occorre che la risultante delle forze applicate sia nulla

G

FG-M

M

Fpav-M

FM-G

Fpav-G


Contesto:- l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola

elementare- osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate

alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore)

oggetti e concetti: forza e interazione

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