classe G7 tutor Carmen Valentino corsista Pietro Ammavuta Corso Dol titolo: MP01 Esperienza didattica di base LABORATORIO VIRTUALE Divertirsieimparare On Line Esperienza didattica sul modulo “ Molle e la legge di Hooke “ I.P.S.S.T.C “G.Salvemini” Classe: 1B

MENU’ Premesse La teoria Il laboratorio virtuale La scheda di lavoro Conclusione

Premesse L’esperienza effettuata riguarda le molle e la legge di Hooke ed è stata realizzata dagli allievi della classe 1B dell’I.P.S.S.T.C “G.Salvemini” utilizzando un laboratorio virtuale on line perchè la scuola non è attrezzata con un laboratorio tradizionale di fisica dato che la materia è stata prevista nell’ordinamento a partire dell’a.s 2010/11

La Teoria La legge di Hooke descrive quantitativamente le deformazioni elastiche subite da un solido al quale sia applicata una forza meccanica. L’esperienza mostra che, quando si applica a un corpo solido una forza che ne modifichi la forma in modo non irreversibile, l’entità della deformazione è proporzionale alla forza applicata. Se l'intensità della forza è minore di un certo valore critico, l'allungamento prodotto è ad essa proporzionale e il grafico che rappresenta la legge è una retta (Proporzionalità Diretta). Al di sopra del limite elastico, specifico di ogni corpo e dipendente dalla sua forma e composizione, si producono deformazioni irreversibili; il grafico si discosta dall'andamento lineare e la legge di Hooke non è più valida.

Forza elastica F x F x dove k = costante elastica Quando una molla è deformata tende a ripristinare il suo stato di riposo esercitando una forza di richiamo Per piccole deformazioni, la forza di richiamo risulta proporzionale allo spostamento dell’estremo libero della molla dalla posizione di riposo (legge di Hooke): F x F x dove k = costante elastica

La costante elastica k La costante elastica (k), che dipende strettamente dal materiale del corpo elastico, può essere calcolata applicando la formula inversa della legge di Hooke. Quindi se: Lo spostamento (so = x ) è in genere un allungamento, ma può anche essere un accorciamento se la molla in condizione di riposo non ha le spire a contatto. Appendendo una molla ad un gancio e attaccando alla molla un peso, la molla si allunga per effetto della forza esercitata dal peso e l'allungamento si arresta quando la forza peso viene equilibrata dalla forza elastica.

Le molle Se si aumenta il peso applicato alla molla, l'allungamento della molla cresce in modo direttamente proporzionale fino ad un limite di elasticità. Se si supera tale limite, le deformazioni della molla divengono anelastiche, cioè permanenti; scaricando tutto il peso dalla molla, essa si trova ad avere una lunghezza maggiore che all'inizio (deformazione permanente).La costante elastica della molla che subisce una deformazione a causa di forze agenti su di essa, attraverso la formula inversa della legge di Hooke (k=-F e /x) . La costante elastica, espressa con la lettera “k”, è un parametro la cui unità di misura è N/m. Inoltre essa è positiva, anche se dovrebbe essere negativa, in quanto è una costante e per tanto si considera solo il modulo. Più k è grande e più la molla è rigida, ovvero occorre una forza maggiore per produrre un dato allungamento La molla è un corpo elastico, generalmente fabbricato in acciaio o in bronzo (anche se per sollecitazioni limitate se ne possono usare anche altri, ad esempio materie plastiche), usato ed ottimizzato per accumulare energia meccanica e capace di subire deformazioni significative ma reversibili quando viene sottoposto a forze.

Diagramma forza – allungamento di una molla

Equilibrio di un corpo appeso ad una molla Prima legge di Newton: x P Fel Nella posizione di equilibrio la molla è allungata di un tratto x=mg/k.

Il laboratorio virtuale Il materiale utilizzato per la simulazione virtuale degli esperimenti di fisica è tratto da FISICA2005 http://www.ba.infn.it/~fisi2005/ E’ una iniziativa dell'INFN ( Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), sezione di Bari, nata in occasione dell‘Anno Mondiale della Fisica e rivolta ai docenti di Fisica delle Scuole Medie Superiori. L'iniziativa rendere disponibile on line materiale didattico consistente in simulazioni di fenomeni di fisica selezionate da quelle reperibili su Internet, classificate e descritte da una scheda di presentazione e corredate con una scheda di lavoro per gli studenti.

Ecco il laboratorio con 3 tipi di molle, i pesi con massa da 50, 100 e 250 gr, e quelli di massa non nota (rosso, giallo, verde) http://www.ba.infn.it/~fisi2005/

Gli esperimenti sulle molle e pesi OBIETTIVO: Misurare la costante elastica di una molla e una volta nota determinare la massa di un peso incognito o l'accelerazione di gravità. PREREQUISITI: -Riconoscere il tipo di relazione esistente tra le variabili di una formula -Riconoscere dal grafico il tipo di relazione esistente tra le grandezze in esso riportate -Calcolare la pendenza di una retta -Forze elastiche e Legge di Hooke F=K*DL -Forza

Descrizione animazione Istruzione animazione http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/simulazione020.html Autore: © Colorado University - phethelp@colorado.edu L’animazione Flash fa parte del PhET - The Physics Education Technology Project

DESCRIZIONE Animazione Flash L'animazione si basa sulle proprietà elastiche della molla. La molla è costituita da un filo di acciaio, avvolto come un elica cilindrica che, sottoposta a trazione, si allunga fino ad arrivare ad una posizione di equilibrio corrispondente ad una nuova lunghezza della molla. L'animazione permette di applicare alla molla varie forze note, permettendo così di determinare la costante elastica della molla misurando gli allungamenti. Si possono applicare anche forze incognite. Puo' essere variata la resistenza dell'aria, la costante elastica di una delle tre molle e l'accelerazione gravitazionale.

ISTRUZIONI Animazione Flash Con il mouse si può spostare : - il righello per misurare la lunghezza della molla - i pesi per attaccarli/staccarli dalla molla Nel pannello a destra si può far variare la resistenza dell'aria (friction), la costante elastica della molla numero 3 (stiffness spring 3) e l'accelerazione gravitazionale cambiando pianeta(Jupiter, Moon Earth, ...).  Si può richiedere di mostrare il diagramma dell'energia (Show Energy) e un timer per misurare il periodo di oscillazione della molla (Stopwatch).

SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/anim020/sclav_pesimolle.pdf Prima Fase: Rispondi prima ai seguenti quesiti Cosa accade quando appendi un peso ad una molla? In presenza della resistenza dell’aria oscilla per poi fermarsi dopo un certo tempo In assenza della resistenza dell’aria oscilla per sempre Se si appende ad una molla un corpo molto pesante cosa succede alla molla? si deforma in modo permanente Appendendo un peso ad una molla come cambia l'allungamento della molla se siamo: sulla Terra si allunga di più che sulla luna sulla Luna si allunga meno che sulla Terra nello spazio non si allunga

Calcolare l'allungamento della molla ǻL=Lf-Li. SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE Seconda Fase: Misura della costante elastica della molla Posizionare il righello accanto alla prima molla e misurare la lunghezza della molla a riposo: lunghezza iniziale Li. Appendere un peso alla molla e misurare la lunghezza della molla allungata: lunghezza finale Lf. Calcolare l'allungamento della molla ǻL=Lf-Li. lunghezza iniziale della molla Lunghezza iniziale Li = cm lunghezza finale della molla (allungata a causa del peso applicato) Lunghezza finale Lf = cm Applicare ora alla molla numero 1 i pesi da 50gr, 100gr e 250gr, misurare l'allungamento della molla e costruire la seguente tabella dati TAB.1

TAB.1 Nprova numero della prova effettuata mp (gr) massa del peso applicato alla molla Lf (cm) lunghezza finale della molla DL (cm) allungamento della molla 1 50 27 5 2 100 10 3 250 25 Cosa si può osservare guardando i dati riportati nella tabella? Che tipo di relazione c'è tra la massa dei pesi applicati e l'allungamento della molla? Aumentando la massa aumenta l’allungamento in modo proporzionale

Ripetere l'esperimento utilizzando la seconda e la terza molla Costruire il grafico di mp*g (g=9,8 m/sec^2) in funzione di DL per i dati riportati nelle tabelle TAB.1 e verificare che sia una retta la cui pendenza rappresenta proprio il valore della costante elastica della prima molla K1. Ripetere l'esperimento utilizzando la seconda e la terza molla al fine di determinare la costante elastica K2 e K3 K1= m *9,81 = 98 DL K2= 109 K3= 109

massa del peso applicato alla molla SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE Terza Fase: Misura di pesi incogniti Scegliere una delle molle di cui si è calcolato la costante elastica K e applicare uno alla volta i tre pesi incogniti misurando l'allungamento della molla. Calcolare il peso di ciascun cilindretto e riportare i dati nella seguente tab2 cilindretto DL (cm) allungamento della molla mp (gr) massa del peso applicato alla molla peso verde 7 75 peso giallo 15 150 peso rosso 30 300

SCHEDA DI LAVORO: MOLLE E LEGGE DI HOOKE Quarta Fase Fare diverse prove: 1- modificando la resistenza dell'aria (friction) 2- cambiando pianeta (Earth, Jupiter, Moon, ...) e verificare le risposte date nella prima fase. Appendere il peso da 250gr alla molla numero 3 e modificate l'elasticità della molla (stiffness spring3). Cosa si può osservare? Spostando il cursore verso hard (rigido) le deformazioni diminuiscono, spostando il cursore verso soft (morbido) le deformazioni aumentano Con quale procedura si potrebbe calcolare l'accelerazione gravitazionale di un pianeta? Calcolando la forza elastica di una molla di cui è noto il K e l’allungamento DL g = DL* K1 sulla terra g= 9,81 m/s2 sulla luna g=1,61 m/s2 m

Conclusioni D ivertirsi O n L ine e imparare ...

Fine … niente panico, signor ispettore, bisogna sapere giocare con il sapere. Il gioco è il respiro della fatica, l’altro battito del cuore, non nuoce alla serietà dello studio, ne è il contrappunto. E poi giocare con la materia è un modo come un altro per abituarci a padroneggiarla. Non dia del bambino al pugile che salta la corda, è imprudente. Daniel Pennac, Diario di scuola Feltrinelli 2008 pag 131