Un percorso per formare al ragionamento fisico nella fenomenologia ...

Un percorso per
formare al
ragionamento fisico
nella fenomenologia
elettrostatica
Alessandra Mossenta
Master DidSciUD

Indagini sui problemi di
apprendimento
Processi di elettrizzazione e trasmissione dell’interazione elettrica - induzione
Modelli interpretativi usati Furió, Guisasola & Almudì, 2004
Difficoltà legate al linguaggio Harrington, 1999
Trasferimento di carica
Comprensione del trasferimento di carica tra conduttori
• solo se carichi in modo opposto, fino alla neutralizzazione di uno di essi; utilizzo del
concetto di forza tra cariche solo con parte di esse Guruswamy, Somers & Hussey, 1997
Causa del movimento: differenza tra il numero di elettroni, interscambiata con la
differenza di potenziale Barbas e Psillos, 1997
Campo elettrico
Modelli interpretativi usati (azione a distanza anziché campo …) Furió & Guisasola 1998
Difficoltà legate alla rappresentazione vettoriale
• linee di campo come entità isolate nello spazio Euclideo anziché come insieme di curv
che rappresentano una proprietà vettoriale di quello spazio Törnkvist, Pettersson & Tranströmer 1993
Comprensione della sovrapposizione dei campi
Campo solo se mobilità; causa nella formula Rainson, Tranströmer & Viennot, 1994, Viennot & Rainson, 1999
Rassegna generale
Distribuzione di carica su conduttori Master DidSciUD e isolanti, applicazione delle leggi di Newton
rapporto carica – campo – potenziale Maloney, O’Kuma, Hieggelke, Van Heuvelen, 2001; M. Planinic, 2006

Difficoltà di apprendimento:
un caso Furió, Guisasola & Almudì, 2004
Rispetto ai fenomeni di elettrizzazione per strofinio e di induzione le idee degli
studenti (secondari e universitari) si possono raggruppare in 4 categorie:
Creazioniste (pochi studenti):
l’elettricità appare nei corpi quando sono strofinati. Le cariche appaiono quando i
dielettrici (plastica) sono strofinati ma non quando lo sono i metalli. I fenomeni di
induzione elettrica sono fraintesi.
Effetto alone (pochi studenti):
i corpi carichi attraggono ogni altro corpo vicino. L’elettricità è considerata essere
cariche che creano una atmosfera elettrica.
Fluido elettrico (la maggior parte degli studenti):
l’elettricità è considerata come un fluido che passa da un corpo all’altro
attraverso lo strofinio, il fluido passa sui dielettrici (come la plastica) ma non va
sui metalli. Tuttavia, attraverso il contatto, il fluido passa sui conduttori (metalli) e
non può andare attraverso i dielettrici. Le interazioni elettriche avvengono per
contatto quando un fluido passa da un corpo ad un altro.
Newtoniano (pochi studenti secondari, una minoranza di universitari):
l’elettricità è considerata come un gruppo di cariche che agisce a distanza. I
fenomeni di induzione elettrica sono spiegati come risultanti da forze esercitate
dalla carica del corpo carico sulle cariche separate, positive e negative, del corpo
neutro.
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Impostazione del percorso
proposto
Esplorazione di semplici fenomeni elettrici per riconoscere:
Un cambio di stato dei sistemi a seguito di una preparazione: essi si
caricano/si attivano
La natura duale di tale proprietà: i sistemi interagiscono
manifestando repulsione o attrazione a seconda della concordanza
o discordanza tra tali proprietà
Esplorazione di modalità di caricare per riconoscere che:
Il processo di carica è un’attivazione
È dovuto a qualcosa che è già dentro al materiale
Che si conserva ed è mobile
Obiettivo: Costruzione del concetto di carica come esito di un
percorso basato sulla fenomenologia macroscopica
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Esp 1: Il nastro da lucido
strappato da uguali superfici
AZIONI/OSSERVAZIONI RICONOSCERE
Due pezzi di nastro adesivo
qualunque strappati da una
stessa superficie, accostati e
sospesi si allontanano
Allontanamento/repulsione per
ogni coppia strappata da
un’uguale superficie, anche di
nastro
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Lo strappo ha cambiato lo
stato dei pezzi di nastro:
sono in grado di interagire
La presenza della
proprietà non dipende
dalle caratteristiche
morfologiche del nastro,
dalla tipologia di
superficie, da orientazioni
reciproche

Esp 1: Interazione tra oggetti
preparati/trattati allo stesso modo
CONCLUSIONI
o Comunque siano disposti, due nastri preparati nello
stesso modo, attraverso un’interazione con un terzo
oggetto, si allontanano tra loro: sono in grado di
interagire, hanno acquisito una proprietà (di allontanare e
essere allontanati) che non avevano in precedenza
o Preparati nello stesso modo, sono nello stesso stato
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Esp 2a: Il nastro da lucido
strappato in condizioni diverse
AZIONI/OSSERVAZIONI RICONOSCERE
Pezzi di nastro adesivo strappati da
superfici diverse accostati ad uno stesso
nastro e sospesi manifestano ora
avvicinamento ora allontanamento
Due qualunque pezzi che si allontanano
dal nastro di riferimento, o due che gli si
avvicinano, accostati tra loro si
allontanano
Un qualunque pezzo di una tipologia
accostato a un qualunque pezzo dell’altra
tipologia gli si avvicina
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Vi sono due possibilità di interazione,
che si manifestano con
allontanamento o avvicinamento: in
questo caso lo stato dei due nastri
accostati non è lo stesso
Tutti i pezzi di nastro con uguale
comportamento se avvicinati al
nastro–campione sono nello stesso
stato: i nastri si possono suddividere
in 2 classi, una con lo stesso stato
del nastro-campione, una con un
diverso stato
La scelta del nastro-campione è
irrilevante: ogni elemento di una
classe è in uno stato diverso da ogni
elemento dell’altra

Esperienza 2b: Due nastri da
lucido strappati tra loro
AZIONI/OSSERVAZIONI
I due elementi coinvolti nello
Due pezzi di nastro
strappo non sono nello stesso
sovrapposti l’uno sull’altro
stato
come nel rotolo, strappati e
accostati si avvicinano
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RICONOSCERE

Esp 2: Interazione tra oggetti
trattati strappando
CONCLUSIONI
o L’azione di strappare modifica sempre lo stato degli
oggetti preparati in tal modo, ma la modifica può
essere di duplice natura, rivelata dagli effetti: si
osserva tanto la capacità di allontanarsi/respingersi
che quella di avvicinarsi/attrarsi, a seconda della
concordanza o meno della natura dello stato degli
oggetti interagenti.
o L’avvicinamento indica stati non uguali
o I nastri possono assumere ciascuno dei due stati,
evidenziati da due tipologie di interazione
o Due nastri strappati tra loro non sono nello stesso
stato
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Esp 1 e 2b a confronto:
preparazioni diverse per stati
diversi
CONFRONTO Nastri indicatori strappati tra
loro, in stati diversi
ESP. 2b: Interazione tra
un nastro strappato
da una superficie di
nastro e la
“superficie” di nastro
stessa
ESP. 1: Interazione tra
due nastri strappati
entrambi da una
superficie di nastro
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Esp 3: Confronto tra pezzi di
nastro adesivo da coppie
AZIONE/OSSERVAZIONE RICONOSCERE
Due pezzi sovrapposti e strappati
avvicinati all’indicatore: pezzi con
la stessa disposizione si
allontanano, con disposizione
diversa si avvicinano
Entrambi i pezzi coinvolti nello
strappo cambiano di stato
La disposizione dei nastri prima dello
strappo determina lo stato:
disposizioni diverse danno luogo ad
attrazione, indicazione di due diverse
tipologie di attivazione
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Esp3: Confronto tra pezzi di
nastro adesivo a coppie
CONCLUSIONI
Vi sono due stati
possibili per oggetti
strappati e l’interazione
tra stati uguali si
manifesta come
repulsione, tra stati
diversi come attrazione
Oggetti preparati tra
loro sono in stati diversi
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Esp 4.1: Altri oggetti e altri modi
di agire
AZIONI/OSSERVAZIONI
Due cannucce accostate sopra un
binario, anche dopo che una di esse
viene strofinata, non interagiscono
Due cannucce strofinate e quindi
accostate su un binario si respingono
Due cannucce strofinate e quindi
accostate al nastro indicatore
producono attrazione con uno e
repulsione con l’altro nastro, come in
uno dei casi precedenti
RICONOSCERE
Nessuna interazione ha luogo se
entrambi gli oggetti non sono stati
attivati mediante preparazione
opportuna
La stessa preparazione conduce
ad un effetto di repulsione anche
nel caso dello strofinio
Lo stato delle cannucce è uguale
per entrambe e lo stesso di uno dei
due pezzi di nastro
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Esp 4.2: Altri oggetti e altri modi
di agire
AZIONE/OSSERVAZIONE RICONOSCERE
Oggetti diversi strofinati su
superfici diverse accostati al
nastro indicatore fanno
allontanare uno dei due nastri
e avvicinare l’altro
Buste dei grissini strofinate:
comportamento analogo a
quello del nastro da lucido
Lo strofinio è un metodo per
portare gli oggetti in uno stato
che produce interazione,
attrattiva o repulsiva
Tutti gli oggetti possono essere
messi in grado di attrarre o
respingere, attraverso strofinio,
secondo che lo stato è diverso
o uguale rispetto a quello
dell’oggetto con cui
interagiscono
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Esp 4.3: Le coppie di oggetti
strofinati
AZIONE/OSSERVAZIONE
Cannuccia e stoffa con
cui è stata strofinata: si
avvicinano tra loro e
muovono in verso
opposto e ugual misura
i nastri indicatori
I due oggetti coinvolti nello
strofinio sono in stati
diversi
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RICONOSCERE

Esp 4.4: Le coppie di nastri
strappati
AZIONE/OSSERVAZIONE
Nastri strappati tra loro e
avvicinati: l’interazione
dipende dalla distanza e
dall’intensità dello stato
Nastri avvicinati fino a tornare
in contatto: nessuna
interazione
L’interazione avviene senza
contatto, in misura maggiore al
diminuire della distanza, con
intensità dipendente dalla qualità
della preparazione (tipo di
superficie da cui avviene lo strappo
…), centralmente
Due oggetti che si attivano
reciprocamente, se riuniti perdono
nuovamente la proprietà, che si
può collegare alla separazione
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RICONOSCERE

Esp 4: Osservare altri oggetti
CONCLUSIONE
• Gli oggetti si possono elettrizzare
strofinandoli, e acquisiscono una proprietà
chiamata carica elettrica che può essere di
due tipi e si manifesta come attrazione o
repulsione (tra cariche omologhe)
• I due oggetti coinvolti nello strofinio
assumono stati diversi
• Lo strofinio equivale allo strappo
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Esp 5: Le cannucce a contatto
AZIONE/OSSERVAZIONE
Due cannucce
accostate dopo
che una,
strofinata, è stata
messa a contatto
con l’altra si
allontanano
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RICONOSCERE
Anche il contatto con un
oggetto attivato è un
modo per attivare
Lo stato dei due oggetti a
contatto è lo stesso

Esp 5: Le cannucce a contatto
CONCLUSIONI
La proprietà si trasmette spontaneamente da
un corpo all’altro con un contatto, senza
azione esterna come nel caso dello
strofinio
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Esp 6: La lattina conduttrice vicina
alla barra elettrizzata
AZIONI/OSSERVAZIONI
Avvicinando una barra
strofinata alla lattina si
sollevano i fili di alluminio
opposti alla barra, indicando
repulsione tra oggetti nello
stesso stato
Allontanando la barra strofinata
dalla lattina i fili si abbassano
Un effetto di elettrizzazione si può
ottenere senza strofinio né
contatto, ma semplicemente
avvicinando un oggetto
elettrizzato: influenza a distanza
Nulla è stato trasferito al corpo che
manifesta nelle sue parti uno stato
di elettrizzazione dello stesso tipo,
determinata dalla vicinanza
dell’oggetto elettrizzato
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RICONOSCERE

Esp 6: La lattina conduttrice a
contatto con la barra elettrizzata
AZIONE/OSSERVAZIONE RICONOSCERE
Al contatto (o quasi …) tra La carica trasferita per
barra e lattina all’estremità contatto si trasferisce
opposta rispetto ai fili si all’estremità opposta
sollevano i fili di alluminio della lattina: la carica
opposti alla barra, indicando può muoversi all’interno
repulsione tra oggetti nello
stesso stato
della lattina
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Avvicinando una barra
strofinata alla lattina si
sollevano i fili di alluminio
opposti alla barra,
indicando repulsione tra
oggetti nello stesso stato
Esp 6: La lattina conduttrice
AZIONE/OSSERVAZIONE
La carica è presente dentro la
lattina indipendentemente
dall’intervento esterno
L’oggetto carico ha agito a
distanza: l’elettrizzazione di parti
della lattina si deve allo
sbilanciamento tra cariche di un
tipo e dell’alto, risultato
dell’azione sulle cariche nella
lattina da parte di quelle esterne
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RICONOSCERE

Esp 6: La lattina conduttrice
CONCLUSIONI
• I corpi sono dotati di elementi interni -
carica- che interagiscono elettricamente
• La possibilità di muoversi all’interno dei
metalli determina una distribuzione di
carica localmente sbilanciata che
evidenzia la sua presenza
• I corpi neutri bilanciano attrazioni con
repulsioni
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Il trasferimento di carica e
l’induzione: pendolino metallico
SVILUPPO
Pendolino metallico
all’estremità della
lattina carica:
attrazione, contatto,
repulsione istantanea:
induzione e contatto,
con trasferimento
veloce di carica
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Il trasferimento di carica e la
polarizzazione: il pendolino
dielettrico
SVILUPPO
Pendolino dielettrico
all’estremità della lattina:
attrazione, contatto,
repulsione ritardata:
polarizzazione e
contatto, con
trasferimento lento di
carica
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Induzione, polarizzazione e
trasferimento di carica
CONCLUSIONI
Negli isolanti vi sono gli stessi elementi che
nei metalli, e subiscono le stesse forze: le
intensità sono minori e le velocità basse
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Disposizione della carica su un
conduttore: gabbia di Faraday
AZIONE/OSSERVAZIONE RICONOSCERE
La carica si dispone
sulla superficie
esterna di un
conduttore caricato
Su un conduttore a
contatto con una
cannuccia strofinata la
carica trasferita si
dispone secondo quanto
indicato dalle striscioline
di metallo sul suo corpo:
chiudendo il conduttore
su sé stesso, all’interno
si abbassano e
all’esterno si alzano
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L’elettroscopio -1
AZIONI/OSSERVAZIONI RICONOSCERE
Avvicinata la cannuccia
strofinata le foglioline divergono,
allontanata si chiudono
Dopo un contatto della
cannuccia le foglioline divergono
permanentemente
Divergono maggiormente se la
cannuccia viene avvicinata
ancora
Una disposizione diversa degli
elementi interni determinata
dalla cannuccia produce lo
stesso stato sulle foglioline a pari
distanza dalla cannuccia
Il contatto trasferisce elementi
attivanti che si distribuiscono
lungo tutto il metallo
I due effetti si sommano
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L’elettroscopio - 2
AZIONI/OSSERVAZIONI
Toccando la punta dell’asta con le
foglioline divergenti a cannuccia
lontana, esse si chiudono
Toccando la punta a cannuccia
vicina, le foglioline si chiudono ma
divergono nuovamente
allontanandola
Avvicinando la cannuccia la
divergenza diminuisce
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RICONOSCERE
Il contatto produce un
trasferimento di elementi
attivanti fino all’assenza di
interazione tra foglioline
Il trasferimento per contatto fino
ad impedire l’interazione
determina uno stato di
attivazione distribuito fino ad
annullare l’interazione anche
con la cannuccia ed emerge in
assenza di quest’ultima
La tipologia di carica sulle foglie
ora è opposta: il trasferimento
avviene secondo le condizioni in
cui si trova il conduttore …

Un modo diverso di guardare
all’interazione: gli oggetti carichi
modificano lo spazio che li
circonda
Campo
Nello spazio tra due oggetti metallici
caricati oggetti leggeri (talco) si
muovono e si dispongono lungo
direzioni precise
Ove si trovano le scagliette di talco si
ha un’influenza prodotta dalla carica
presente sugli elettrodi
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Trasferimento di carica
AZIONI/OSSERVAZIONI
RICONOSCERE
Sfere di
La carica si
dimensioni diverse trasferisce
a contatto con la parzialmente da
gruccia strofinata un isolante a un
e tra loro: caso 1 metallo per
Gruccia strofinata contatto
a contatto con la La carica si
sfera di diametro trasferisce
maggiore, in dimezzandosi da
seguito a contatto un oggetto
con una sfera
uguale
metallico ad un
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altro uguale

Conservazione della carica
AZIONI/OSSERVAZIONI RICONOSCERE
La carica totale
prima del contatto
è sempre pari alla
somma delle
cariche presenti
dopo il contatto
Sfere di diverse
dimensioni, cariche
e scariche, a
contatto
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AZIONI/OSSERVAZIONI
Due sfere uguali
una carica e una
no a contatto
Due sfere uguali
cariche in modo
diverso a contatto
Passaggio di carica tra sfere
di uguali dimensioni
RICONOSCERE
Si ha passaggio di carica su oggetti uguali
quando non ve ne è la stessa quantità, fino ad
averne una stessa quantità
La carica si divide a
metà
La carica passa da
dove è in misura
maggiore a dove è
in misura minore
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Due sfere
uguali
ugualmente
cariche a
contatto con
due sfere
scariche di
dimensioni
diverse
Passaggio di carica tra sfere
di dimensioni diverse
AZIONI/OSSERVAZIONI
All’equilibrio si ha carica maggiore nella
sfera di raggio maggiore: vi sono due
grandezze in gioco
RICONOSCERE
La carica si dispone in
modo diverso, a seconda
delle dimensioni della
seconda sfera: maggiore
il raggio, maggiore la
carica trasferita
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Due sfere di
dimensioni
diverse con
cariche
diverse a
contatto tra
loro
Passaggio di carica tra sfere
cariche diverse
AZIONI/OSSERVAZIONI
Grandezza che governa il processo:
POTENZIALE, dipendente dalla carica e dalle
dimensioni, che determina il trasferimento di
carica tra due oggetti se è diverso, fino ad
annullare tale differenza
RICONOSCERE
La carica sulla sfera di
raggio e carica maggiore
aumenta, a spese della
carica minore sulla sfera
di raggio minore
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Sfere a contatto con un
generatore di ddp
Sfere di dimensioni
diverse (piccola,
media, grande) a
contatto con
potenziali da 1, 2, 3
kV
Rapporto di proporzionalità
diretta tra carica e potenziale
Q/V = Capacità
C dipende dal raggio
(geometria)
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Bibliografia
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