Risorse di fisica per gli insegnanti

Durante i suoi 30 anni di insegnamento della fisica, mi sono imbattuto in molte dimostrazioni interessanti e idee per l’insegnamento – spesso suggeriti da parenti, colleghi, amici, ed ex studenti. Nel 2000 ho iniziato a mettere insieme queste idee – questa è stata la base per il sito web Schoolphysics – e il relativo CD-ROM contenente la collezione degli articoli. Nel tempo, ho aggiunto altre dimostrazioni e supporti per gli insegnanti che non sono abilitati nell’insegnamento della fisica.  

Qui di seguito si riportano quattro idee tratte dalla collezione. Spero che ne troviate almeno una nuova, che vi sfiderà, suoi contenuti e vi potrà divertire, e che queste idee portano verso la popolarizzazione dei contenuti e sorprendono le persone di quanto la fisica possa essere interessante e divertente.

Far bollire l’acqua in regime di bassa pressione

Adatto per età: 13-15

Questo semplice esperimento dimostra che la pressione di vapore saturo dell’acqua dipende dalla temperatura. Si può realizzare meglio se si cerca di proteggersi mediante uno schermo tra l’apparecchiatura e gli studenti.

Materiali

• Un fiasco a fondo arrotondato
• Un tappo con due fori
• Un tubicino, di vetro con un diametro esterno adatto ad essere inserito in uno dei fori del tappo
• Un tubo in gomma con un diametro adatto ad essere collegato al tubo di vetro
• Un termometro delle dimensioni adatte ad essere inserito nel foro del tappo di gomma
• Un becco Bunsen
• Supporto per storta e pinza
• Uno schermo per la sicurezza
• Un vassoio
• Acqua

Procedura

1. Inserire il tubo di gomma all’estremità del tubo di vetro.
2. Inserire il termometro e il tubo di vetro nei fori del tappo, aggiungere acqua fredda nella fiasca sino a raggiungere circa la metà altezza. Sigillare la fiasca con il tappo.
3. Inserite la pinza nel tubo di gomma ma non chiudetela.
4. Utilizzate il becco Bunsen per riscaldare l’acqua sino all’ebollizione.
5. Chiudere la pinza e spegnere il becco Bunsen.
6. Capovolgere la fiasca e versargli sopra dell’acqua fredda.

Il vapore si condenserà all’interno della fiasca, riducendo la pressione e permettendo all’acqua di tornare a bollire. Quando l’acqua smette di bollire, versare dell’ulteriore acqua sulla fiasca. Di quanto potrete abbassare la temperatura ed osservare allo stesso tempo bollire l’acqua? Sareste in grado di fare bollire l’acqua a 40 °C – io ho osservato bollire l’acqua alla temperatura del corpo umano (37 °C)!

Teoria

La spiegazione è che la pressione di vapore saturo dell’acqua dipende dalla temperatura: più bassa è la temperatura, l'aria può contenere meno vapore acqueo (cfr. tabella 1). Quando l'acqua si condensa, si abbassa la pressione nella fiasca – e questo, naturalmente, permette che l'acqua possa bollire a meno di 100 °C.

Un metodo alternativo

Un metodo più semplice è quello di riempire parzialmente (circa il 20%) una siringa con acqua tiepida 50-60 ° C. Quindi tirare su lo stantuffo della siringa. Questo riduce la pressione nella siringa, facendo bollire l'acqua a ben al di sotto dei 100 °C.

Gruccia metallica per abiti e moto circolare

Per età: 14-18

Questa è una semplice dimostrazione dell’esistenza della forza centripeta.

Materiali

• Una gruccia metallica per abiti
• Un filo metallico
• Una piccola moneta

Procedura

1. Piegare la gruccia per abiti sino a farla assomigliare ad un quadrato
2. Appiattire il gancio della gruccia e piegarlo sino a farlo puntare verso l’angolo opposto del quadrato (vedi il diagramma).
3. Mettere in equilibrio sul gancio, una piccola moneta (potete provare con un pezzo da un penny inglese o la moneta da 5 o 10 centesimi di Euro).
4. Mettere un dito nell’angolo opposto del quadrato e far girare la gruccia in cerchio verticale. La moneta dovrebbe rimanere dove l’avete posta. 

Teoria

La forza esercitata sulla moneta fornisce la forza centrifuga, e agisce sempre verso il centro di rotazione.

Quante monete riuscite a bilanciare sulla stampella metallica rotante? Il mio record è di cinque monete da un penny. Con un solo penny e con grande attenzione, sono riuscito a portare a fermare la stampella metallica senza far cadere la moneta. 

Separatore elettromagnetico

Adatto ad età tra 16-18

Questa è una simulazione in scala del separatore elettromagnetico che si usa nell’industria per separare i metalli non-ferrosi da altri ritagli non-metallici, ed è adatto alla dimostrazione di un insegnante.

Materiali

• Un elettromagnete a ferro di cavallo con un nucleo in ferro in modo da fornire un campo magnetico molto intenso
• Un generatore di corrente alternata AC
• Scarti di alluminio (es. Fogli metallici)
• Un pezzo di cartoncino sottile
• Alcuni pezzi di carta

Procedura

1. Porre il cartoncino al di sopra di uno dei bracci del magnete e posare alcuni pezzettini di alluminio nel pezzo di carta e sul cartoncino.
2. Inserire i contatti dell’elettromagnete al generatore di corrente alternata AC e accendere il generatore. I ritagli di alluminio saranno espulsi dal campo magnetico.

Teoria

L’elettromagnete ad AC induce delle correnti parassiti all’interno dei ritagli di alluminio. Queste correnti trasformano i ritagli in piccoli elettromagneti che quindi vengono respinti dall’elettromagnete più grande e così volano via dal cartoncino. Con ritagli no metallici non viene indotta alcuna corrente e così i pezzettini di materiali rimangono sul cartoncino.

In una versione a nastro di questo esperimento, pezzetti ferrosi e non ferrosi sono sistemati sul nastro che attraversa un elettromagnete a AC. Questo induce nei pezzetti metallici delle correnti parassite, i quali sono espulsi dal campo e volano ai lati del nastro rotante mentre gli altri elementi rimangono sul nastro. Vi potrebbero essere delle scuole in grado di costruire una versione analoga ad uso dimostrativo, utilizzando del materiale contenente pezzi di carta e di alluminio.

Un blocco galleggiante in un barattolo che sta cadendo

Età interessate: 11-18 a seconda del periodo in cui si introduce la teoria.

Questa è una dimostrazione veramente interessante riguardante la relatività generale, utilizzando un blocco di legno che galleggia in un barattolo pieno d’acqua che è sospeso su una molla.

Materiali

• Molla ad elica legata ad un recipiente di plastica
• Un blocco di legno o paglia caricato con argilla da modellare (ad esempio la plastilina®)
• Acqua

Procedure

1. Riempite con acqua a metà il contenitore, aggiungere il blocco in legno o di paglia, e sospendete l’apparato con la molla.
2. Sospendere il recipiente, quindi lasciatelo cadere, sospeso dalla molla. Il recipiente e il contenuto cominciano ad oscillare sul piano verticale (su e giù) ma il livello dell’acqua rimarrà nella stessa posizione del recipiente, e il blocco di legno o di paglia galleggerà allo stesso livello in acqua come se cadesse e si rialzasse.

Theory

Di quanto si immerge il blocco di legno e di paglia, dipende sia dal peso (non dalla massa) e la spinta di galleggiamento. Il galleggiamento dipende dal peso dell’acqua spostata. Così, al variare dell’accelerazione del recipiente e del blocco, il peso del blocco e il galleggiamento varia in proporzionalità diretta di uno rispetto all’altro; come risultato, il livello al quale il blocco galleggia rimane invariato all’oscillazione dell’apparato.

Gli oggetti sottoposti ad accelerazione si comportano nello stesso modo come si trovassero in un campo gravitazionale. Se il recipiente e il suo contenuto oscillano, entrambi hanno un’accelerazione che è dovuta sia al campo costante gravitazionale della Terra e il moto armonico semplice dell’oscillazione.

Mentre il recipiente si muove verso l’alto, la sua accelerazione netta è maggiore del campo gravitazionale della Terra e quando scende, la sua accelerazione è minore di quella del campo gravitazionale della Terra. La sezione del moto riguardante la discesa, è come se il recipiente fosse sulla Luna dove l’accelerazione gravitazionale è minore di quello della Terra.

Questa dimostrazione è molto utili per l’equivalenza tra campo gravitazionale e campo inerziale.

Riconoscimenti

Gli editori di Science in School vorrebbero ringraziare Catherine Cutajar e Gerd Vogt per il loro aiuto nella selezione degli esperimenti da includere nel presente articolo.