Riassunto / Abstract

Il percorso consiste nel far progettare agli studenti “catene di dispositivi” che vengono poi analizzate dal punto di vista delle trasformazioni energetiche (ad esempio: progettare una catena di dispositivi che, partendo da un sasso che cade, arrivi a far accendere una lampadina).

Si fa riferimento al concetto intuitivo di energia che gli allievi già possiedono e che viene ampliato nel corso del modulo analizzando il rapporto trasformazioni energetiche – macchine.

Scheda sintetica delle attività

Si propone agli allievi, suddivisi in gruppi, di progettare e costruire a casa una catena di dispositivi per ottenere uno scopo prefissato. I progetti realizzati vengono successivamente fatti funzionare in classe. La discussione collettiva rappresenta il punto di partenza per l’introduzione del concetto di energia che viene sviluppato sottoponendo agli allievi schede con domande/situazioni-stimolo da compilare singolarmente e poi discutere e commentate assieme.

Un elenco (non esaustivo) di progetti che potrebbero essere richiesti è il seguente:

Progetto n°1 – Come utilizzare l’aria che esce da un asciugacapelli per accendere una lampadina
Progetto n°2 – Come utilizzare un oggetto che cade per accendere una lampadina
Progetto n°3 – Come utilizzare la luce di una lampadina per sollevare un oggetto
Progetto n°4 – Come utilizzare un combustibile (es.: gas metano) per sollevare un oggetto
Progetto n°5 – Come utilizzare l’acqua che esce dal rubinetto per riuscire a riscaldare un liquido contenuto in un becher
Progetto n°6 – Come utilizzare una molla per accendere una lampadina

Alcuni esempi realizzati dagli studenti sono riassunti negli allegati.

Risorse necessarie

• Gran parte del materiale necessario può essere reperido dagli studenti: la nostra esperienza è che la ricerca di soluzioni non convenzionali coinvolge molto gli studenti, stimolando curiosità, interesse e partecipazione attiva;
• una dinamo da bicicletta è utile per trasformare energia cinetica in energia elettrica, reperibile a basso costo (ciclisti, grandi magazzini);
• una cella solare è utile per trasformare luce in energia elettrica (anche non professionale: in negozi di cineserie o da giocattoli rotti/vecchi);
• potrebbe essere utile preparare alcune confezioni con “oggetti vari” tra cui scegliere e a cui ispirarsi. 

Prerequisiti necessari

• Concetto intuitivo di energia;
• capacità di reperire e assemblare semplici attrezzature.

Obiettivi di apprendimento

• Riconoscere tra le proprietà dell’energia la trasferibilità, la trasformabilità, la conservazione;
• riconoscere nelle macchine dispositivi in grado di trasformare/trasferire l’energia;
• schematizzare una macchina in termini di flussi energetici in entrata e in uscita;
• calcolare il rendimento di una macchina come rapporto tra energia utile e energia assorbita;
• calcolare la potenza come rapporto tra energia e tempo.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Introduzione

L’approccio didattico adottato pone al centro i seguenti obbiettivi:

• rendere l’allievo protagonista del proprio processo formativo
• abituare gli allievi ad un metodo di lavoro che privilegi le relazioni interpersonali, la condivisione del sapere, la costruzione del consenso intorno alle scelte operate
• potenziare la fiducia dell’allievo nelle proprie possibilità rimuovendo gli ostacoli cognitivi riscontrati

Un modello di apprendimento coerente con tali premesse, ed al quale facciamo riferimento, può essere riassunto molto schematicamente così:

il soggetto che apprende costruisce le proprie conoscenze a partire da quelle che già possiede, con un processo dialettico che si stabilisce tra le conoscenze nuove e quelle già possedute

Compito del docente è, di conseguenza, quello di creare situazioni di apprendimento che rendano l’allievo consapevole dei propri ostacoli cognitivi e che gli consentano di superarli confrontandosi/relazionandosi con gli altri in un ambiente collaborativo e di rispetto reciproco. Superare le difficoltà cognitive alimenta la fiducia in se stessi e l’autostima, elementi questi indispensabili per creare le condizioni per il successo scolastico.

Coerentemente con tale approccio, le attività che seguono sono presentate in forma di schede, ognuna della quali dedicata ad un argomento legato alla produzione e trasformazione di energia.  Gli allievi rispondono individualmente ai questionari, ove proposti, e le risposte vengono lette alla classe che le commenta. Il docente svolge un ruolo di “mediatore” della discussione. Le conclusioni devono essere condivise dalla classe e costituiscono la premessa della successiva attività proposta.

Scheda 1: Accendi una lampadina

Osserva il circuito elettrico rappresentato in figura 1:

Domanda: Che cosa è che fa accendere la lampadina? Giustificate la vostra risposta.

Commento scheda 1

1. Lo scopo dell’attività è far uscire dalla bocca di qualche allievo la parola energia. Nient’altro.
2. Gli allievi sono spesso convinti che sia la corrente elettrica a far accendere la lampadina e che la corrente si consumi attraversando la lampadina.
3. Le ipotesi degli allievi sul comportamento della corrente nei cavi elettrici possono essere verificate misurando la corrente con un amperometro. Non importa che gli allievi non sappiano come funziona un amperometro (d’altronde non sanno come funziona un PC, PSP, Cellulare ma lo usano egregiamente!) è sufficiente spiegare loro che è uno strumento per la misurazione della corrente elettrica.
4. A questo punto prendere due amperometri uguali e inserirne uno prima della lampadina e l’altro dopo. I due amperometri indicano lo stesso valore di corrente!
5. La corrente, quindi, non si consuma: è la stessa prima e dopo la lampadina! Se non consumiamo corrente, quando accendiamo le lampadina di casa, che cosa ci fa pagare l’ENEL? Cos’è che fa accendere la lampadina? Perché a lungo andare la pila si scarica e la lampadina si spegne? Che cosa si “consuma”? Perché la pila perde la sua capacità di far circolare la corrente? Si spera che dalla discussione su queste domande, qualcuno pronunci la parola energia.
6. Al termine della discussione si dovrebbe arrivare alla conclusione che:
   non è la corrente che fa accendere la lampadina, ma l’energia trasportata dalla corrente stessa e ceduta alla lampadina. La pila è il serbatoio di energia e la corrente ha la funzione di prendere energia dalla pila e di trasportarla alla lampadina per poi tornare alla pila, rifornirsi e riprendere il suo giro.

Gli studenti sono pronti per l’attività prevista nella scheda 2.

NOTA
La Scheda 1 può essere sostituita dalla seguente attività.
Il docente, dopo breve introduzione, chiede agli allievi di scrivere in forma anonima su di un foglio che cosa intendono per energia. Le risposte degli allievi vengono raccolte dal docente e lette ad alta voce senza alcun commento. Il docente le conserverà per poi riprenderle al termine del percorso. Si potrà così commentare con gli allievi se e come sia cambiata la loro idea sull’energia.

Scheda 2: L’energia all’opera

1. Si richiede di ideare una catena di dispositivi/apparecchiature per realizzare uno dei seguenti progetti:

1. Progetto n°1 – Come utilizzare l’aria che esce da un asciugacapelli per accendere una lampadina
2. Progetto n°2 – Come utilizzare un oggetto che cade per accendere una lampadina
3. Progetto n°3 – Come utilizzare la luce di una lampadina per sollevare un oggetto
4. Progetto n°4 – Come utilizzare un combustibile (es.: gas metano) per sollevare un oggetto
5. Progetto n°5 – Come utilizzare l’acqua che esce dal rubinetto per riuscire a riscaldare un liquido contenuto in un becher
6. Progetto n°6 – Come utilizzare una molla per accendere una lampadina

2. Si chiede di redigere una scheda con indicato:

1. nomi
2. titolo del progetto
3. elenco dell’attrezzatura necessaria
4. lo schema del montaggio
5. una breve spiegazione del funzionamento della catena di dispositivi

Note:

• Se nei progetti per far accendere una lampadina, per riscaldare un liquido o per far salire un oggetto avete bisogno di “elettricità”, dovete inserire nel progetto anche il dispositivo adatto a produrla. In altre parole la vostra catena di dispositivi deve alimentarsi partendo dall’aria che esce dall’asciugacapelli, dall’oggetto che cade, ecc…
• E’ sufficiente che il vostro progetto riesca a far accendere la lampadina anche per pochissimo tempo oppure a sollevare anche di poco un corpo leggero, ecc…

3. Rispondere alle seguenti domande

1. Qual è il serbatoio di energia della vostra macchina? Giustificate la vostra risposta
2. Conoscete altri serbatoi di energia? Elencateli.
3. In diversi progetti è stata utilizzata una dinamo. Quale funzione svolge la dinamo?

Conoscete dispositivi che trasformano energia da una forma ad un’altra? Fate esempi, specificando per ciascuno la forma (o le forme) di energia in entrata e la forma (o le forme) di energia in uscita.

Commento scheda 2

 Lo scopo dell’attività è quella di familiarizzare gli studenti con il concetto di energia come qualcosa di reale e tangibile.

1. Volendo dare, se richiesta, una “definizione”, si potrebbe dire che l’energia è semplicemente “ciò che consente agli esseri viventi di vivere e alle macchine di funzionare”.
2. Montare in laboratorio il progetto effettivamente realizzabile con il materiale a disposizione.
3. Gli allievi già “conoscono” diverse forme di energia; al termine dell’attività, sottolineare che l’energia è una e che le diverse forme prendono nome solo dal tipo di dispositivo che le utilizza (una arancia, ad esempio, può “far funzionare” un essere vivente, ma può anche essere utilizzata per far accendere una lampadina…).
4. Gli allievi già conoscono diverse forme di energia e la compilazione dei questionari è abbastanza semplice.
5. Distinguere gli oggetti in serbatoi di energia e in utilizzatori/trasformatori di energia. Tutte le macchine utilizzano l’energia per funzionare e contemporaneamente la trasformano (volendo essere più precisi, possono anche semplicemente trasferirla da un corpo ad un altro, come le leve, le carrucole, ecc..).
6. Mostrare agli allievi dispositivi vari, quali celle fotovoltaiche, generatori termoelettrici (utilissimi per evidenziare che un corpo caldo ha più energia di un corpo freddo), ecc…
7. I progetti degli allievi verranno ripresi quando si tratterà quantitativamente il modulo energia

Scheda 3: Alla ricerca dell’energia perduta

Osserva la seguente catena di dispositivi:

La luce della lampadina trasporta energia luminosa alla cella fotovoltaica; la cella fotovoltaica trasforma l’energia luminosa in energia elettrica; i cavi elettrici trasportano l’energia elettrica al motore elettrico mettendolo in funzione; il motore elettrico trasforma l’energia elettrica in energia cinetica di rotazione; la cinghia trasferisce l’energia cinetica di rotazione alla dinamo mettendola in funzione; la dinamo trasforma l’energia cinetica di rotazione in energia elettrica; i cavi elettrici trasportano l’energia elettrica alla lampadina che la ritrasforma in luce. E così il cerchio si chiude. 
Se con una pila (non disegnata in figura) accendo la lampadina o metto in funzione il motore elettrico, poi posso toglierla e lasciare che il dispositivo continui a funzionare da solo. Per sempre! …a meno di guasti.

Sei d’accordo? Giustifica la tua risposta.

Questionario scheda 3

1.  Le macchine trasformano tutta l’energia che ricevono nella forma di energia per la quale sono progettate? Giustifica la tua risposta.
2. Come proporresti di schematizzare una macchina per visualizzare i flussi di energia in entrata e in uscita? Disegna il tuo schema-

Commento scheda 3

1. Scopo dell’attività è analizzare il comportamento delle macchine sotto l’aspetto dei flussi energetici in entrata e in uscita e definire, quindi, il rendimento (di I° genere).
2. L’attività proposta è una analisi di una specie di “moto perpetuo”. L’impossibilità di tale moto discende dalla ineliminabile presenza di attriti e “perdite” in ogni trasferimento e/o conversione di energia. Tutta l’energia iniziale ritorna alla fine nell’ambiente sotto forma di calore a bassa temperatura.
3. Schematizzare le macchine nel modo seguente:
                                              Figura 4: schema di funzionamento energetico di una macchina

Il rendimento  r di una macchina viene definito come rapporto tra energia utile ed energia assorbita:

\[r = \frac{energia\ utile}{energia\ assorbita}\]

Mostrare e commentare una tabella dei rendimenti di alcune macchine.
Per quanto riguarda le unità di misura dell’energia si possono dare joule, caloria, kilowattora facendo notare, a titolo di giustificazione, che le prime due sono riportate su tutte le confezioni alimentari (come misura del “valore energetico”) e l’ultima sulle bollette “della luce”. Portare in classe l’etichetta di una confezione alimentare e una bolletta e ricavare i fattori di conversione tra le varie unità. Ricordare che solo il joule è unità S.I..

A titolo di esempio, si allega un breve commento sulla discussione avuta con gli allievi sulla scheda 3:

Tutti gli allievi tranne due hanno risposto “sì: il dispositivo avrebbe continuato a funzionare all’infinito” (anche se il “per sempre” riportato nella scheda ha destato qualche perplessità). Il primo dei due “perché ci sono sempre dispersioni”; così ha imparato nelle Medie, ma non sa spiegarne il motivo. Il secondo perché “le cariche elettriche si scaricano di tutta l’energia che danno alla lampadina, ma la luce della lampadina non arriva tutta alla cella fotovoltaica”; (“si potrebbe costruire una cella fotovoltaica che circonda tutta la lampadina” ha detto un altro allievo).

A questo punto è stato facile far riflettere gli allievi sul fatto che la lampadina sviluppa anche energia termica che non viene utilizzata dalla cella per dare corrente; sul fatto che anche il motore elettrico si scalda (alcuni avevano dubbi in proposito, ma sono stati smentiti da molti altri allievi) e che quindi non tutta l’energia elettrica si trasforma in energia cinetica, anche la cinghia di trasmissione si scalda, ecc…

Gli allievi arrivano facilmente alla conclusione che in tutte le trasformazioni o trasferimenti di energia viene sempre dissipata energia termica che “finisce nell’aria”.

Per la verità, un paio di allievi sono rimasti scettici sul fatto che il dispositivo non potesse continuare a funzionare, perché convinti che “dopo il primo giro di energia, il motore, la dinamo, ecc… si sono scaldati, ma dopo aver raggiunto l’equilibrio, non si scaldano più (“mica fondono”) e da allora in poi il dispositivo continua a funzionare da solo perché non ci sono più perdite di energia”.

Scheda 4a: Consumare di più vuol dire consumare più in fretta?

Immagina:

• Una Ferrari e una Panda sono sulla linea di partenza.
• Nel serbatoio di entrambe le auto sono stati versati solo 10 litri di benzina (la stessa, facciamo finta che la Panda possa andare con la benzina della F1).
• Viene dato il via e le due auto partono “sparate” e “tirano al massimo” fino ad esaurimento completo della benzina.

Rispondi e giustifica le tue risposte:

a) l’energia fornita dalla benzina ai motori delle due auto è 

1. maggiore per la Ferrari
2.  maggiore per la Panda
3.  uguale

b) Quale delle due auto esaurisce prima la benzina?

Scheda 4b: La potenza 

Rispondi e giustifica le tue risposte

1. Un motore di automobile A trasforma in 10s i 100 kJ di energia forniti da 2g di benzina. Il motore B, invece, è in grado di trasformare gli stessi 100 kJ forniti dalla stessa quantità (2g) di benzina in 5s. Quale dei due è più potente?
2. Il motore d’automobile A trasforma in 4,5s i 38 kJ di energia forniti da 0,75g di benzina. Il motore B, invece, è in grado di trasformare 6,5 kJ in 7,2 s. Quale dei due è più potente?

Commento alle schede 4a e 4b

Dalla discussione sulla scheda 4a dovrebbe emergere che la Ferrari si ferma prima perché consuma benzina più in fretta (N.B.: quando si dice che un’auto consuma più benzina, si sottintende a parità di tempo, ossia più in fretta). Non dovrebbe creare difficoltà l’osservazione che la Ferrari è “più potente” della Panda.

Conclusione: una macchina è più potente di un altra se è in grado di assorbire l’energia più rapidamente per trasformarla nella forma utile

Dalla discussione della scheda 4b si deve far emergere che per confrontare le potenze di due macchine occorre fare i rapporti tra energia e tempo impiegato e confrontare poi i due rapporti. Conviene distinguere tra la “rapidità” con la quale l’energia viene assorbita e la “rapidità” con la quale viene fornita l’energia utile.

Pertanto:

1. si definisce potenza assorbita di un trasformatore di energia (macchina) il rapporto:

\[Potenza\ Assorbita = \frac{Energia\ Assorbita}{Tempo}\]

2. Si definisce potenza utile di un trasformatore di energia il rapporto:

\[Potenza\ Utile= \frac{Energia\ Utile\ fornita}{Tempo}\]

L’unità di misura S.I. della potenza è il watt (W):

\[W = \frac{J}{s}\]

Nel caso delle auto si usa spesso ancora il cavallo vapore (CV): 1CV=735W

E’ utile fare una ricerca ed elencare la potenza media di trasformatori di energia comuni:

• la potenza media giornaliera utilizzata da un uomo è circa 150 W divisa in 80-90 W per il metabolismo basale e 60-70W per il metabolismo cinetico (vedi qui).
• di un’auto di media cilindrata circa 60kW,

Come esempi di potenza assorbita e di potenza utile, si possono ricordare rispettivamente la potenza di una lampadina (100W) e la potenza di un’auto (75CV)

Scheda 5

Avvertenza: La seguente attività non rappresenta un’attività già sperimentata in classe, ma vuole essere un suggerimento per una possibile prosecuzione del percorso sull’energia introducendo intuitivamente e qualitativamente il concetto di conservazione dell’energia o meglio della ricerca delle diverse forme di energia in un sistema anche semplice. La difficoltà della sua realizzazione sta nella costruzione di due carrellini necessari per lo svolgimento dell’attività. In un numero della rivista La fisica nella scuola dell’AIF (Associazione per l’Insegnamento della Fisica) di diversi anni fa  c’era un articolo dove, tra altre apparecchiature, venivano illustrati e descritti anche i carrellini cui si fa riferimento. Pensiamo sia utile descrivere l’esperimento originale ma sottolineiamo come esso si possa proporre anche usando strumentazione povera: bottiglie identiche piene di acqua/ghiaccio, uova fresche/sode, etc…

Descrizione dell’attività 

Due carrellini identici come massa, dimensioni e forma vengono lasciati scivolare giù da due identici piani inclinati scabri (ad esempio con elastici messi di traverso) per poi proseguire sulla stessa superficie orizzontale. Ripetendo più volte la prova, si nota che uno dei due carrellini si ferma sempre prima dell’altro.

Il diverso comportamento è dovuto al fatto che i due carrellini sono identici esternamente, ma non nella loro struttura interna. Uno dei due, quello che si ferma prima, ha al suo interno delle masse aggiuntive sospese e collegate alle pareti da molle; mentre l’altro  ha al suo interno una massa equivalente, ma fissa. Il carrello con le masse mobili si ferma prima perché una parte dell’energia cinetica si trasforma in energia potenziale elastica del sistema masse+molle. L’attività si può svolgere utilizzando, in alternativa, bottigliette di acqua/ghiaccio, uova fresche/sode e stimolando gli studenti a capire il perché della differenza.

Si può verificare che il rallentamento del sistema con le masse in moto (o con il contenuto liquido) si mostra più evidente all’aumentare della rugosità del piano.

Note e storia

1 – La prima formulazione del principio di conservazione dell’energia viene attribuita a Helmholtz che, però lo enuncia come “conservazione della forza”. Solo con la formulazione finale si è dissipata la confusione tra forza ed energia e si è affermata l’idea di energia in senso moderno.

2 – Alcuni storici della scienza sottolineano che il riconoscimento dell’impossibilità del moto perpetuo, pur cronologicamente anteriore alla formulazione del principio della conservazione dell’energia, non lo implica, ma ne è una conseguenza logica. Altri evidenziano invece come lo stesso Helmholtz lo ponga come punto di partenza per la sua dimostrazione e fanno notare inoltre il suo ruolo centrale nel migliorare le leggi della meccanica e come sia il primo principio generale usato per dimostrare leggi particolari.

Bibliografia

• I progetti elencati come esempio nella Scheda 2 sono tratti da: Lemeignan (G.), Weil-Barais (A.) –  Construire des concepts en Physique – Paris : Hachette Éducation, 1993
• Una trattazione completa e molto approfondita della macchina termica – corpo umano si trova in:  http://www.unirc.it/documentazione/materiale_didattico/597_2008_83_1567.doc
• Un sito sul moto perpetuo:
  http://www.lhup.edu/~dsimanek/museum/unwork.htm
•  Le note storiche sono tratte dal lavoro di Lazzarini – Raschellà che si trova sul sito:
  http://www.ilpendolodifoucault.it/ssis/corsi/docs/2-epifis1/2008-epifis1-nascita-conservazione-energia.pdfal quale si rimanda per un approfondimento sulla nascita del principio di conservazione dell’energia

Autori

Asmundo Rita

Caccetta Basilio

Consoli Eder

Marucchi Sergio

Rondi Andrea

Schede / Allegati

• Progetti_Allievi

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 1° biennio Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Dinamo da bicicletta, cella solare Durata esperimento in classe 3 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche Sì Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Termodinamica Trasformazioni termodinamiche Energia Macchine