La fisica del Biennio

Ecco una proposta per il percorso di fisica del primo biennio del liceo scientifico.

La fisica del biennio per competenze, con risorse e videoguide (pagina html)

In questo Blog è possibile trovare le esperienze nei due anni sia per argomento (statica, ottica, ...), sia suddivise secondo le seguenti etichette:

L0 : informazioni preliminari
L1: esperienze del primo anno
L2 esperienze del secondo anno
L3: esperienze da triennio o opzionali al biennio

Articoli "La fisica nella scuola"

Al seguente collegamento viene riportato un elenco degli articoli pubblicati sulla rivista "La fisica nella scuola", per facilitarne di ricerca.


Articoli de "La fisica nella scuola" (Google Spreadsheet)

Quale calcolatrice scientifica?

Al biennio in Fisica è richiesta una calcolatrice scientifica.
Le marche principali e più affidabili si sono finora dimostrate CASIO e SHARP.

Modelli più comuni e di qualità provata:

• Casio FX-350ES Plus Calcolatrice Scientifica (Natural display); 
• Casio FX-82MS Calcolatrice tascabile tecnico-scientifica (1 riga con frazioni - verificare)
• (basic) Sharp EL 510RNB Calcolatrice Scientifica, Nero 
• (basic) Casio Fx-220 Plus Calcolatrice Elettronica (1 riga)

E' bene sapere che il termine "Scientific calculator" è uno standard internazionale che prevede alcune funzioni uguali per tutti: è dunque impossibile sbagliare se si richiede o si possiede già uno strumento denominato da questa dicitura.

Se la calcolatrice costa più di 15 euro, significa che ha delle funzioni in più che resteranno inutilizzate.
E' il caso ad esempio della calcolatrice "finanziaria" della Casio, che costa 30 euro.

Caratteristiche fortemente consigliate in caso di nuovo acquisto:

• Doppia alimentazione, fotovoltaica e a batteria.
• Spegnimento automatico
• Astuccio rigido
• Memoria delle costanti fisiche universali

Display: ad una riga, con le frazioni, con più righe o coi grafici?

• Il display "naturale", ovvero su più righe come il "Natural Display" della Casio o il "WriteView" di Sharp, pur non essendo necessario, presenta dei vantaggi apprezzabili. 
• Ad ogni modo le calcolatrici su singola riga vanno benissimo e sono pure formative. Esiste anche una via intermedia, quelle che permettono di visualizzare le frazioni, non male però mai ho mai avuto bisogno di usarla;
• Grafici? La calcolatrice NON deve fare i grafici di funzione altrimenti non sarà valida alla maturità e probabilmente in molti esami universitari.

Nota tecnica: nel caso delle funzioni con argomento, (sin, tan, radice, ecc) la calcolatrice non deve obbligare ad inserire l'argomento prima della funzione. Tra le marche consigliate questo non succede.

Molto più spesso questa possibilità è data in più rispetto alla sequenza "funzione-argomento", e questo non è male nel caso di applicazione di una finzione successivamente al risultato di un'altra operazione (anche se in ogni caso è sempre fattibile con il tasto "Ans").

Video di Fisica Lab

La pagina è stata spostata al seguente link:

http://faesfisica.blogspot.it/p/risorse-video-di-fisica.html

Immagine da una lente

Verificare la legge dei punti coniugati è semplice.

Ecco l'apparato:

In questo file PDF possono leggere gli obiettivi e le grandezze da misurare

e in questo file XLS si trova una tabella con le grandezze da misurare e da calcolare.

Buona visione a tutti!

Ottica x 5

Utilizziamo 5 sistemi ottici per altrettante verifiche

specchio sferico: il puntonin cui convergono i ragginparalleli all'asse ottico, dista dal vertice dello specchio il doppio del raggio? (Bisogna saper determinare il centro di un arco di circonferenza...)

Specchio piano: ilraggio incidente e quello riflesso formano due angoli uguali con la normale al piano nel punto di incidenza? E stanno sullo stesso piano (implicito se vedi i due raggi)

Semi-disco: verificare se quandonil raggio interno prosegue in linea retta, essomsta provenendo dal centro del cerchio.

Prisma
1. Determinare indice di rifrazione misurando angoli
2. Misurare angolo limite del raggio uscente e confrontarlo con quello atteso dalla misura al punto 1

Questo video mostra in sequenza:
a) un fenomeno di riflessione totale
b) un fenomeno di spostamento di un raggio attraverso le due superfici parallele di un prisma ottico;

Indirizzo del video su YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=6ZKHI5aVWCI?rel=0

Verificare qualitativamente che da due facce parallele, i raggi entranti e uscenti sono paralleli ma sfasati

Lenti biconcava e biconvessa, verifiche qualitative della convergenza dei raggi paralleli.

Strutturare una relazione

Un relazione di laboratorio deve essere strutturata all'incirca in questi 7 punti:

1. Titolo
2. Obiettivo semplice (max 3 righe). Di solito è un elenco delle fasi dell'esperimento.
   Le parole chiave sono: misurare o verificare... raramente si tratterà di pura "osservazione".
3. Richiami teorici: quali valori andrò a confrontare, ottenuti da quali formule teoriche e tramite quali calcoli. Spesso i richiami teorici sono divisi in più parti, una per ogni fase dell'esperimento,
4. Setting:
   a. schema/disegno (se utile)
   b. descrizione strumenti (nome, fondo scala, sensibilità, analogico/digitali)
   c. descrizione materiali utilizzati (se significativi: forma, sostanza, ...)
5. Esecuzione: tabella delle grandezze misurate direttamente + tabella grandezze calcolate (anche in colonne aggiuntive).
   Eventuale legenda o descrizione della tabella se necessario. Obbligatoria la didascalia tipo "tabella delle misure di volume eseguite con il recipiente graduato".
6. Stima dell'errore o incertezza sperimentale: teoria + calcoli. Se non viene considerato, riportare il criterio, il perché.
7. Conclusione: l'obiettivo è stato raggiunto?
   Ci sono dei valori da confrontare? Sono compatibili entro l'incertezza sperimentale?

Principio di Archimede

Anche quest'anno siamo giunti a verificare questo principio in laboratorio.
Tutto l'esperimento consta di tre fasi:

1. "tarare" la molla ottenendo la sua costante elastica k in condizioni di lavoro lineari, misurata in grammi-peso su centimetro;
2. stimare il volume del solido in cm^3;
3. verificare sperimentalmente che immergendo il solido in acqua, la molla che lo tiene in equilibrio si contrae rispetto al solido in aria di una lunghezza che soddisfa alla seguente eguaglianza:

Infatti all'equilibrio i due membri sono uguali se la spinta idrostatica eguaglia la perdita di peso.
Cioè:

• al membro di destra abbiamo la perdita di peso misurata in grammi-peso, ottenuta con la differenza tra i pesi dell'oggetto in aria ed in acqua;
• al membro di sinistra abbiamo la spinta idrostatica laddove la densità dell'acqua e la gravità sono entrambe uguale a d uno, nelle seguenti unità pratiche:

e

Questo è equilibrio!

Se Newton aveva ragione, il peso in mezzo deve essere posizionato ad una distanza dal fulcro pari a:

dove "r" corrisponde alla distanza dei punti di applicazione gli altri due pesi dal fulcro.

L'esperienza riesce con uno scostamento percentuale inferiore al 2%!!!
Newton aveva proprio ragione ... :-)

Video-lezioni sui vettori

Sei in crisi con la fisica?
La cosa più probabile è che hai sviluppato un'intolleranza ai vettori :-)!
Ecco un video-ripasso essenziale, della durata di circa un'oretta.

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Video 1 - Le grandezze vettoriali (introduzione)
Introduce il concetto di vettore, mostrando come alcune grandezze abbiano bisogno di essere descritte oltre che con una misura ed una unità di misura, anche con una direzione geometrica e un orientamento.

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Video 2 - Disegnare un vettore ("Operazioni con i vettori 1")
Come disegnare un vettore; le tre caratteristiche vettoriali (modulo, direzione, verso); la moltiplicazione per uno scalare positivo o negativo.

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Video 3 - Somma di due vettori, metodi grafici ("Operazioni con i vettori 2").
Disegnare la somma di due vettori: metodo del parallelogramma e metodo "punta-coda"

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Video 4 - Differenza di due vettori, metodo grafico col parallelogramma ("Cin2D")
Apri il video in una nuova finestra a partire punto corretto (min 12).
Esiste anche un secondo metodo grafico: somma del primo vettore con l'opposto del secondo, non riportato nel video.

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Video 5 - Perché scomporre i vettori? ("Cin3D")
Introduce l'idea della scomposizione.  Dopo il minuto 8 si può tralasciare (esempio avanzato di applicazione alla "rampa", ovvero piano inclinato).

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Video 6 (Animazione) - Somma di vettori tramite componenti

Clicca sull'immagine e segui la spiegazione su GeogebraTube

Indirizzo esplicito dell'animazione: http://ggbtu.be/m80265

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Video 7 - Seno, Coseno e Tangente: funzioni goniometriche.
Parti indispensabili:

• min 0-3: funzioni sen e cos: definizione + relazione goniometrica fondamentale.
• min 3-6: funzione sen: rappresentazione su piano cartesiano
• min 8-10: funzione tan: definizione.

Problemino: l'angolo piatto viene indicato con "pi-greco" al posto di 360°

Parti di approfondimento (si possono saltare):

• min 6-8: funzione cos: rappresentazione su piano cartesiano (tosto)
• min 10-12: funzione tan: rappresentazione su piano cartesiano (tosto)

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Video 8 - Trigonometria: Triangoli Rettangoli ("TriBasiD1")
Applicazione di seno e coseno al triangolo, propedeutica all'introduzione delle componenti cartesiane dei vettori.

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Video 9 - Componenti cartesiane dei vettori/1
i vettori-componenti - i versori - le componenti cartesiane del vettore - la scrittura in notazione cartesiana o algebrica

Al termine: saper distinguere tra "i vettori-componenti", "la componente cartesiana del vettore", "modulo del vettore componente", "versori".

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Video 10 - Componenti cartesiane di un vettore/2
Determinare le componenti conoscendo il modulo e l'angolo del vettore (2 esempi).

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Video 11 - Somma algebrica di vettori ("Somma_vettori.wmv") durata 2 min
La spiegazione non utilizza seno e coseno; utilizza tuttavia il concetto di componenti cartesiane del vettore (senza nominarle). Clicca sull'immagine per partire dal punto corretto:

Indirizzo esteso: http://www.youtube.com/watch?v=R0pCweO5S4I#t=156

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Si ringraziano per i loro contributi i colleghi :
 +Francesco Gullo, +VideoLezioniNCA, +LessThan3Math, +Paolo Gallizio e +Pietro Aiena.

Newton e le sue leggi

Bello verificare che:

!!!

Densità

Ecco un modo per verificare che la densità è la constante di proporzionalità tra massa e volume:

Misure di laboratorio

Laboratorio di Fisica Liceo Argonne

L'attuale laboratorio è stimato per 15 alunni, suddivisi in cinque gruppi.

Le dimensioni della stanza sono di 5m x 7,30 m.
Tali dimensioni sono un po' compresse: la superficie andrebbe aumentata del 10% per ospitare bene gli alunni.

In questa superficie sono ospitati:

• 6 tavoli (5 gruppi + cattedra) di dimensioni 160x 80 cm;
• 15 sgabelli + sedie di scorta accatastabili; 
• ad ogni tavolo c'è la corrente (4 prese, tre necessarie) e la rete ethernet;
• un armadio doppio (120 x 50 cm);
• due tavoli di appoggio (160 x 80);
• c'è inoltre un rack IP di 64x64 cm;
• una cassettiera 90x50 cm, attualmente collocata sotto un tavolo di supporto, che resta sollevato di 10 cm;
• sulle pareti: una whiteboard; una parete è libera per proiezioni;
• i caloriferi, che risultano incassati e non sottraggono superficie.

Cablaggi e condutture
Per un lab di fisica non servono né rubinetti né condutture particolari. E' utile comunque un punto acqua ed uno scolo, ma può essere anche un bagno nelle vicinanze.

Ai tavoli di lavoro è necessario avere la corrente elettrica (attualmente realizzata con rialzo del pavimento).

E' necessario inoltre che nella stanza arrivi la rete ethernet, che può essere diffusa anche tramite hotspot/access point wireless.

Per concludere, ecco due immagini dell'attuale laboratorio.

Il laboratorio visto dalla parete "attrezzata"; sulla sinistra, il tavolo-cattedra.

Il laboratorio visto dall'ingresso; sullo sfondo la parete attrezzata; il tavolo-cattedra e la whiteboard sono sulla destra.

Milano, 24/01/2013

Prof. Carpenedo
Responsabile Laboratorio di fisica
LS Faes Argonne

 

Principio di Archimede 2012

Grazie all'aiuto di "Franz" abbiamo catturato la spinta di Archimede all'opera. Ecco il filmato:

Ora, un po' di formule.

Il cilindro ha un volume di circa 25 cm3. La spinta sarà quindi:

La molla invece ha una costante elastica k = 6,50 gp/cm e si accorcia di 4cm... la differenza di peso rilevata dalla molla è quindi::

Beh, direi che queste due misure corrispondono molto bene: lo scarto tra loro è infatti del 4%!

Eureka!

Tenere una una ruota in equilibrio

Con questo esperimento possiamo verificare che per tenere fermo un oggetto che ruota, si può agire su due grandezze:

1. l'intensità delle forze (qui rappresentata dal dinamometro e dalle masse)
2. la loro distanza dal centro di rotazione

Ci sarebbe un terzo parametro: l'angolo tra la forza e il "braccio".

Fig. 1: un'asta rotante rimane in equilibrio mentre è soggetta a due forze diverse,
applicate a distanza diversa dal centro di rotazione.

Attrito statico orizzontale

L'attrito statico si può misurare in due modi:
uno di questi è tramite piano orizzontale e carrucola:
le masse appese sono proporzionali alla massa del blocco, e il coefficiente di proporzionalità è proprio il coefficiente di attrito!
Rondelle per le masse appese (ottima gamma di valori), masse tarate sopra il blocco.

Posizione/tempo

Tramite un sensore di moto e una lunga rotaia,
abbiamo studiato il grafico posizione/tempo e velocità/tempo, calcolato la velocità media, ....

Scomposizione di una forza

Ecco come abbiamo scomposto una forza lungo gli assi cartesiani!

Fig. 1: una forza viene bilanciata da altre due, dirette lungo gli assi cartesiani:
il modulo di queste due forze corrisponderà a quello delle componenti vettoriali cartesiane dell forza.

Sistema ottico a doppia lente

A conclusione del percorso di ottica geometrica,
abbiamo realizzato un sistema ottico composto di una lente divergente ed una convergente, verificando la legge dei punti coniugati "a catena".

Foto 1:  sistema ottico con una lente divergente ed una convergente, disposte in modo da produrre un'immagine rimpicciolita.

Foto 2:  sistema ottico con una lente divergente ed una convergente, disposte in modo da produrre un'immagine ingrandita e capovolta.

Molle 1

Al via l'esperienza di misura di allungamento di una molla e costante elastica.

Nel primo round, misurare 5 allungamenti corrispondenti a 5 masse, e fare un grafico a mano.

Buon allungamento a tutti!