OGGETTI E CONCETTI: forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 forza e interazione direzione delle forze: il vettore forza Lanciare piccoli oggetti La fionda l’interazione Terra-oggetto forza di gravità e forza peso massa e forza peso Scoprire la forza di gravità La bottiglia e la gravità Il dinamometro Tarare un elastico misura di una forza dai suoi effetti elasticità Una bilancia che funziona in uno strano modo Far cambiare il “peso” massa e forza peso Giochi su una bilancia da bagno azione e reazione trasmissione delle forze Pesare “di meno” o “di più” Tiro alla fune Tirare per vincere azione e reazione attrito 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” Forza e interazione-1

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione 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-2

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione 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 Forza e interazione-3

Forza e interazione: la fionda Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione: la fionda Forzadito-elastico 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 Forzamano-bstoncino 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., Attacco (spunti e continuità): - gare di lanci Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap 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) 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-4a

Forza e interazione: la fionda Forzamano-bstoncino 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. Forzadito-elastico 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) Forza e interazione-4b

Forza e interazione: la bottiglia e la gravità Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione: la bottiglia e la gravità 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 Forzabottiglia-elastico ForzaTerra-bottiglia 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” Attacco (spunti e continuità): - quella attrazione misteriosa verso il basso …. 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 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) 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-5a

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” Forzabottiglia-elastico ForzaTerra-bottiglia 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 Forza e interazione-5b

Forza e interazione: il dinamometro Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione: il dinamometro 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 Attacco (spunti e continuità): quanto forte è “braccio di ferro”? Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap Concetti: ·  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) 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) - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A) www.iapht.unito.it (L) 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-6a

Forza e interazione: il dinamometro interazione-6b 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) grafico di taratura volume (ml) 0 100 200 300 400 500 forza (N) 0 1 2 3 4 5 lungh. (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 Forza e interazione-6b

Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo FTerra-bottiglia Fdita-bottiglia Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 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 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 ) Attacco (spunti e continuità): - gare di forza 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) Aspetti didattici: individuare tutte le forze distinguere fra massa e forza peso Forza e interazione-7a

Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo Fdita-bottiglia FTerra-bottiglia 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! 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) Forza e interazione-7b

Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Felastico-ragazzo F……. Oggetti: due bilance da bagno, un elastico tarato, una riga pieghevole FTerra-ragazzo 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 Attacco (spunti e e continuità): attività ludiche in coppia Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap Concetti: in un oggetto solido le forze si trasmettono da un punto all'altro mantenendo la loro direzione azione e reazione 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) 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-8a

Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno interazione-6b Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno F elastico-amica F elastico-ragazzo 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 reazione 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-amica F Terra-ragazzo 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) Forza e interazione-8b

Forza e interazione: tiro alla fune Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forza e interazione: tiro alla fune Oggetti: una lunga fune, una bandierina, una stuoia antiscivolo FMonica-fune 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” Attacco (spunti e continuità): - gare di forza Sicurezza Utilizzando funi od elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap Concetti: direzione delle forze azione e reazione attrito 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) Aspetti didattici: forze “visibili” (muscolari degli studenti) e “non visibili” (elastica, di gravità, studente-pavimento, pavimento-studente…) Forza e interazione-9a

Forza e interazione: tiro alla fune G Forza e interazione: tiro alla fune M FM-G FG-M 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 Fpav-G Fpav-M 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) Forza e interazione-9b