Lavoro ed energia

Percorso collegato al Capitolo 10 del volume FISICA. Modelli teorici e problem solving - Primo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 10 Lavoro ed energia

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 10 Lavoro ed energia mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per gli studenti sia sotto forma di libro digitale statico (ITE), sia sotto forma di libro liquido (ITE plus) e costituisce una solida base dalla quale partire per condividere sia le pagine da studiare sia le risorse digitali correlate.
Per semplificare il lavoro, i link qui forniti consentono l’attivazione diretta di tutti i materiali, che sono reperibili anche accedendo a My Pearson Place con il codice associato al volume.

Per cominciare: preparare i materiali

Da questo link è possibile scaricare le lezioni in Power Point, un unico file relativo all’intero capitolo, organizzato per paragrafi, che può essere adattato e modificato a proprio piacimento, eventualmente estrapolando i contenuti relativi a uno o più paragrafi.
Facciamo presente che le slide contengono, oltre a un’esposizione sintetica della teoria, anche l’intero testo dei Problem solving, nell’ordine in cui compaiono nel volume.

Ricordiamo che è possibile registrare la propria voce sulle slide in PPT (scarica il PDF per vedere come fare) ed esportare un video da condividere con gli studenti nella modalità concordata con la scuola per erogare le lezioni a distanza.

Consigliamo di prevedere dei momenti di “lezione frontale” in formato video (in diretta o registrati), della durata massima di 10-15 minuti, intervallati da momenti esercitativi o di confronto, come proposto di seguito per i paragrafi considerati.

Paragrafo 1 Il lavoro di una forza costante

Abituati all'idea di lavoro in uso nella vita quotidiana, i ragazzi spesso faticano a cogliere il significato del lavoro come grandezza fisica. La spiegazione deve quindi svilupparsi intorno a molti esempi e avere un costante riferimento alla sua definizione. In questo primo paragrafo si fa proprio questo: si definisce il lavoro e lo si calcola in diverse situazioni fisiche.

La spiegazione si può avvalere dei seguenti disegni attivi (video):

Lavoro di una forza costante nella direzione del moto 
Lavoro di una forza costante che forma un angolo con la direzione del moto 
Lavoro positivo, nullo e negativo

Per la parte applicativa sono disponibili due schede Problem solving, interamente riportate sulle slide:

Problem solving 1 Intervento di emergenza, che presenta l'applicazione al caso più semplice, quello della forza nella direzione dello spostamento;
Problem solving 2 Giù per la collina, che affronta il caso più generale della forza diretta a un angolo rispetto allo spostamento.

Esaminandoli fase per fase in una lezione sincrona, si aiutano i ragazzi non soltanto a imparare come calcolare il lavoro in situazioni specifiche, ma anche a consolidare il metodo per affrontare qualunque problema di fisica. Al termine dei Problem solving si consiglia di assegnare ai ragazzi i relativi Prova tu, da svolgere in un tempo stabilito; a tempo scaduto, due o tre di loro potranno condividere con i compagni la loro strategia risolutiva.

Conclude questo primo paragrafo l’importante trattazione dedicata al caso particolare del lavoro della forza peso, durante la quale si può riprendere in esame il quesito Real physics riportato sulle slide: Perché una persona ferma con una valigia in mano non compie lavoro dal punto di vista fisico?

Per lo studio a casa sarà fondamentale assegnare i Primi problemi proposti al termine del paragrafo, esortando i ragazzi ad applicare lo schema risolutivo visto nei Problem solving. In una lezione successiva si potrà chiedere a qualcuno di loro di condividere con i compagni risultati e svolgimenti.

Paragrafo 2 L'energia cinetica

Il significato dell'energia cinetica come energia associata al movimento è piuttosto intuitivo. Il teorema dell'energia cinetica d'altra parte è uno dei capisaldi della meccanica e permette di riflettere per la prima volta sull'equivalenza tra lavoro ed energia. Molto importante, a questo proposito, soffermarsi sull'analisi dimensionale delle due grandezze, lavoro ed energia, e sulle relative unità di misura.
Per apprezzare la grande utilità del teorema dell'energia cinetica nella risoluzione dei problemi si invita ad analizzare con i ragazzi le due schede Problem solving:

Problem solving 3 Sollevare i libri, in cui il teorema si applica a un caso in cui la forza attiva agisce nella direzione dello spostamento;
Problem solving 4 Corsa con il passeggino, in cui la forza applicata è in una direzione diversa dalla direzione dello spostamento.

Per arricchire l'argomento di una nota storica, se lo si ritiene utile si può chiedere agli studenti di condurre a casa una breve indagine storica sulle origini del teorema dell'energia cinetica. Nella loro ricerca potrebbero imbattersi nella figura di Gottfried Leibnitz, genio multiforme, al quale si deve il nome di "teorema delle forze vive" con cui è anche conosciuto il teorema.
Volendo poi approfondire la figura di Leibnitz, si può segnalare il video di EduFlix Italia: Leibniz e il migliore dei mondi possibili, in cui il matematico e divulgatore scientifico Piergiorgio Odifreddi ne traccia un breve profilo biografico.

Paragrafo 3 Il lavoro di una forza variabile

La generalizzazione del lavoro al caso di una forza variabile offre lo spunto per considerare un'interessante applicazione matematica, cioè il calcolo del lavoro come area della regione di piano sottesa al grafico della forza in funzione dello spostamento. Gli strumenti matematici a disposizione dei ragazzi a questo punto dei loro studi consentono di applicare il metodo soltanto alla forza elastica, che presenta un andamento lineare.
Il testo e le slide lo illustrano per il lavoro compiuto da una forza esterna che allunga una molla; se lo si ritiene utile, si può chiedere ai ragazzi di applicare lo stesso metodo per rappresentare graficamente il lavoro della forza elastica nelle diverse fasi illustrate nel disegno attivo (video) Il lavoro compiuto da una molla può essere negativo o positivo.
Per svolgere il compito gli studenti si potranno far guidare dalle seguenti domande:

Qual è il lavoro della forza elastica quando la molla, dopo essere stata allungata, si comprime?
– Qual è il lavoro della forza elastica quando la molla, dopo essere stata compressa, si allunga?
– In quale caso il lavoro della forza elastica risulta negativo?
– A che cosa corrisponde graficamente il lavoro negativo?

Nella lezione successiva, le risposte potranno animare un utile confronto con i ragazzi sulla forza elastica, il lavoro e il metodo grafico.

Paragrafo 4 La potenza

In questo paragrafo si familiarizza con una grandezza di cui i ragazzi sono abituati a sentir parlare a proposito di consumi elettrici, ma che riguarda qualunque sistema capace di compiere lavoro. Può essere interessante a questo proposito mostrare loro la Tabella 3 (riportata sulle slide) in cui si mettono a confronto le potenze sviluppate da diversi sistemi meccanici, elettrici e biologici.
Ci si potrà inoltre divertire a rispondere operativamente al quesito Real Physics Qual è la potenza sviluppata nella salita di una rampa di scale? Il calcolo permetterà ai ragazzi di scoprire ad esempio che la potenza che sviluppiamo salendo le scale è più simile a quella di un televisore che a quella del motore di un'automobile!
Per un'applicazione più sistematica, si può analizzare la scheda Problem solving 5 Il sorpasso e far cimentare la classe nel Prova tu proposto in chiusura.

Nel paragrafo sono inclusi diversi approfondimenti, che si suggerisce di proporre in modalità di didattica capovolta: PLUS La fisica risponde Potenza e coppia di un motore si può ad esempio affidare a uno o più studenti appassionati di motori; potrebbero prepararsi a casa ed esporre i contenuti dell'approfondimento ai compagni, con un'attenzione particolare alle unità di misura citate nella scheda.
Analogamente si può affidare ai ragazzi l'esposizione di:
PLUS Approfondimento Risparmiare cambiando le lampadine
PLUS Approfondimento Il consumo di energia elettrica.

Paragrafo 5 Forze conservative ed energia potenziale

La distinzione tra forze conservative e forze non conservative trattata in questo paragrafo è di importanza fondamentale non solo nell'ambito della meccanica, ma di tutta la fisica. La spiegazione può partire dal significato del termine "conservative" (riferito all'energia che esse sono in grado di conservare) e svilupparsi intorno alle figure 12 e 13 riportate sulle slide, disponibili anche in formato disegno attivo (video):

Lavoro contro la gravità che illustra il caso di una forza conservativa;
Lavoro contro l'attrito che illustra il caso di una forza non conservativa.

L'energia potenziale viene così definita come la forma di energia che serve a immagazzinare il lavoro compiuto dalle forze conservative. Le due forme di energia potenziale che i ragazzi possono studiare nello specifico sono l'energia potenziale gravitazionale e l'energia potenziale elastica. Il caso dell'energia potenziale gravitazionale è oggetto del Problem solving 6 Salita ripida, che si può analizzare passo passo con i ragazzi seguendo le slide.
Al termine della lezione su questo delicato argomento si suggerisce di soffermarsi a lungo sugli esercizi, proponendo magari delle sessioni di risoluzione nel corso di una lezione sincrona: si può selezionare uno dei Primi problemi che si trovano alla fine del paragrafo, fissare un tempo di risoluzione e verificare alla fine lo svolgimento chiedendo a due o tre ragazzi di esporlo ai compagni. Si potranno così intercettare dubbi ed eventuali fraintendimenti, da risolvere con spiegazioni mirate.

Paragrafo 6 La conservazione dell'energia meccanica

Anche questo paragrafo è di importanza cruciale, perché introduce per la prima volta un principio di conservazione. Va sottolineato ai ragazzi che le leggi di conservazione, di cui nei loro studi di fisica vedranno molti altri esempi, sono proprietà fondamentali che si possono tradurre in equazioni utili per risolvere i problemi.
La spiegazione sul principio di conservazione dell'energia si può avvalere del disegno attivo (video): Applicazione della conservazione dell’energia meccanica in cui viene esaminato il caso di un oggetto (un mazzo di chiavi) lasciato cadere a terra da un'altezza h.
Interessante assegnare la letture della scheda PLUS approfondimento Le montagne russe che, oltre a spiegare l'origine della nota attrazione da parco dei divertimenti, riporta un brano originale di Albert Einstein in cui si applica il principio di conservazione dell'energia meccanica per individuare i percorsi possibili di un carrellino sulle montagne russe. Lo si può suggerire ai ragazzi per arricchire il loro studio autonomo a casa o, se si preferisce, si può proporre in modalità di didattica capovolta, chiedendo a un gruppetto di studenti di sintetizzare il contenuto della scheda su due o tre slide da esporre ai compagni in una videolezione successiva.
Il Problem solving 7 La rampa dello skateboard presenta un problema tipico, in cui l'applicazione della conservazione dell'energia meccanica permette di determinare l'altezza di una rampa. Nel Prova tu finale i ragazzi possono scoprire quanto può essere alto un salto con lo skateboard, data la velocità iniziale.
Per lo studio autonomo si può suggerire agli studenti di porsi le domande del box TUTOR Ragiona sui concetti, le cui risposte si possono sempre trovare cliccando sul relativo box del libro digitale.
Si può inoltre segnalare il video di Step by step Conservazione dell'energia, Energia meccanica, Snowboard alieno che offre una ricca casistica di esercizi su questo argomento, svolti con un ritmo e uno stile brioso che può catturare l'interesse dei ragazzi.

Paragrafo 7 Lavoro di forze non conservative e conservazione dell'energia totale

In quest'ultimo paragrafo il principio di conservazione dell'energia meccanica viene adattato al caso in cui in un sistema non agiscano solo forze conservative, ma anche forze non conservative: l'energia meccanica non si conserva, ma varia, e la sua variazione è uguale al lavoro delle forze non conservative. L'esempio della pallina da tennis riportato sulle slide è molto efficace: una pallina ideale, in assenza di attriti, rimbalza indefinitamente raggiungendo a ogni rimbalzo la stessa altezza da cui era partita (e quindi recuperando ogni volta tutta l'energia potenziale); una pallina reale, in presenza di attriti, cioè di forze non conservative, perde un po' della sua energia iniziale a ogni rimbalzo, fino a perderla del tutto. Durante la lezione si possono sollecitare i ragazzi a portare altri esempi tratti dalla vita reale in cui la presenza delle forze non conservative pesi nel bilancio dell'energia.
L'analisi passo passo del Problem solving 8 Nella neve fresca permetterà agli studenti di affrontare con facilità i Primi problemi proposti alla fine del paragrafo.

Per il ripasso e la verifica in autonomia

Al termine di ciascuna lezione o di un gruppo di lezioni lo studente può avvalersi di una serie di strumenti multimediali per il ripasso e la verifica, assegnabili di volta in volta al momento opportuno e accessibili dall’ITE (libro digitale).

Per il ripasso è disponibile l’Audiosintesi (testo illustrato + audio) di tutti i paragrafi.

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile il Test interattivo di fine capitolo.

Per consolidare le strategie di problem solving è disponibile una selezione di problemi di fine capitolo (Attività per lo studio), a risoluzione guidata e interattiva (Problem solving interattivo).
Per esempio si veda La foglia che cade.

E inoltre in My Pearson Place…

Invitiamo a esplorare tutti i materiali associati all’opera in adozione dalla pagina di ingresso al prodotto in My Pearson Place.

Da qui è possibile accedere, in particolare:
• all’intera Guida per il docente in formato PDF;
• a un ricco Crea Verifiche, con il quale comporre verifiche personalizzate, selezionando gli esercizi per argomento e per livello di difficoltà, ed esportando i file in formato .docx;
• al Didastore, dove ad esempio, nell’Area docente, sono disponibili le stesse verifiche fornite in Guida in formato editabile (docx) e nella sezione Palestra sono disponibili ulteriori batterie di test, tutti con autocorrezione.

La lezione è offerta dalla redazione di Pearson per le Scienze, il nuovo marchio editoriale per l'area scientifica della Scuola secondaria, nell'ambito del progetto Pearson Kilometro Zero, imparare e formarsi a distanza.

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