Il magnetismo

Percorso collegato al Capitolo 16 del volume 2 FISICA. Modelli teorici e problem solving - Secondo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 16 Il magnetismo

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 16 del volume 2, Il magnetismo, mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per i docenti e gli studenti sotto forma di libro digitale statico (ITE) 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.
Ricordiamo che l’intera Guida per il docente in formato PDF è scaricabile dall’ITE (Area docenti).

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, e tutti gli inserti illustrati Real Physics.

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 campo magnetico

Il paragrafo ha un carattere per lo più discorsivo e i ragazzi hanno già avuto modo di familiarizzare con i concetti di campo e linee di forza, pertanto si può pensare di proporlo in modalità di didattica capovolta: se ne può assegnare lo studio a casa e, alla prima lezione sincrona utile, si può verificare la comprensione dei concetti importanti proponendo un confronto tra campo elettrico e campo magnetico. Il confronto potrebbe essere guidato dalle seguenti domande:

- Quali sono le sorgenti del campo elettrico? Quali quelle del campo magnetico?
- Come sono le linee di forza del campo elettrico generato da una carica puntiforme? Come sono quelle di un campo magnetico generato da un dipolo magnetico?
- Le linee di forza di un campo magnetico possono essere aperte?

Per accompagnare lo studio autonomo si può segnalare il video del National Geographic Campo Magnetico terrestre, che illustra come è fatta la magnetosfera e come si manifesta.

Paragrafo 2 La forza magnetica esercitata su una carica in movimento

Prima della lezione sulla forza magnetica è utile che i ragazzi abbiano chiare le proprietà dei vettori e l'operazione di prodotto vettoriale: a tale scopo si potrebbe proporre a due o tre di loro di preparare una slide su questi argomenti ed esporla ai compagni nei primi minuti della videolezione; l'insegnante potrebbe poi valorizzare gli aspetti più utili per il prosieguo della lezione.
La spiegazione sulla forza magnetica può svilupparsi intorno alle seguenti risorse:

- Figura 6 (video DISEGNO ATTIVO) Forza magnetica su una particella carica in movimento, che illustra come varia il modulo della forza al variare dell'orientazione reciproca tra la velocità e il campo magnetico;
- Figura 7 Forza magnetica su una carica in movimento (riportata sulle slide), che completa le informazioni sul vettore forza magnetica;
- Figura 8 (video DISEGNO ATTIVO) Regola della mano destra per la forza magnetica, che spiega la regola della mano destra rappresentandola con uno schema di lato e dall'alto, da cui risultano chiari sia il meccanismo che la simbologia normalmente utilizzata per indicare le direzioni;
- video (TUTOR demonstration) Effetto del campo magnetico su un fascio di elettroni (in inglese, con sottotitoli in inglese e in italiano), che fornisce una dimostrazione della deflessione di un fascio di elettroni in un campo magnetico.

Per la parte applicativa si può seguire sulle slide la traccia della scheda Problem solving 1 Campi elettrici e magnetici e proporre il Prova tu finale ai ragazzi, in modo che lo svolgano subito, adattando il ragionamento al caso proposto.
Il Problem solving 2 Due cariche in un campo magnetico può essere assegnato a casa, con l'invito a provare a svolgerlo da soli e a consultare lo svolgimento solo in caso di bisogno, o per il controllo finale.

Paragrafo 3 Il moto di particelle cariche

Il paragrafo analizza come si muove una particella carica quando attraversa un campo elettrico uniforme o un campo magnetico uniforme. Prima di esaminarlo, sarebbe utile ripassare insieme ai ragazzi le principali nozioni di cinematica utili: si può assegnare il ripasso a casa prima della lezione, o anche chiedere a due o tre studenti di prepararsi a tenere una breve lezione introduttiva su moto rettilineo uniformemente accelerato, moto parabolico e moto circolare uniforme.
Le diverse situazioni che si possono avere a seconda della direzione reciproca tra velocità della particella e campo sono illustrate nelle seguenti figure:

- Figura 12 Moto di una particella in un campo elettrico: velocità parallela al campo (riportata sulle slide);
- Figura 13 (video DISEGNO ATTIVO) Moto di una particella in un campo elettrico: velocità perpendicolare al campo;
- Figura 15 (video DISEGNO ATTIVO) Moto di una particella in un campo magnetico: velocità perpendicolare al campo;
- Figura 17 (video DISEGNO ATTIVO) Moto di una particella in un campo magnetico: velocità in direzione qualsiasi;

La Figura 16 (video DISEGNO ATTIVO) Spettrometro di massa illustra invece il principio di funzionamento di uno spettrometro e può essere quindi di supporto per la comprensione della scheda Problem solving 3 Separare isotopi dell'uranio. Quest'ultima, come sempre, fornisce una traccia per acquisire un metodo di risoluzione di esercizi: si consiglia di analizzarla passo passo insieme ai ragazzi seguendone le diverse fasi sulle slide.

Lo spunto del box Real Physics sulle Aurore polari si può valorizzare proponendo il video TED-Ed Come fantastici venti solari generano sfavillanti luci polari, che illustra il fenomeno con una grafica ironica ma scientificamente rigorosa, e il video National Geographic Spectacular Norway Northern Lights, che completa la proposta offrendo una rassegna di immagini spettacolari.

Si segnala inoltre, in chiusura di paragrafo a pp. 314-315, il Laboratorio con GeoGebra Selettore di velocità, che spiega passo passo come realizzare il software per una simulazione di un selettore di velocità; se si preferisce fornire ai ragazzi il file già realizzato, lo si può scaricare a questo link.

Paragrafo 4 Applicazioni della forza magnetica su particelle cariche

Il paragrafo illustra il principio di funzionamento dei principali tipi di rivelatori e acceleratori di particelle. In preparazione alla lezione si potrebbe proporre ai ragazzi la visione a casa del video Breve viaggio nell'LHC del CERN con descrizione del bosone di Higgs, che spiega il funzionamento di LHC seguendo ogni fase del viaggio dei protoni, dalla loro estrazione da un gas di idrogeno, alle successive accelerazioni e alla loro "fine" nei rivelatori. Dai commenti al video potrà nascere un'interessante lezione sulle avanguardie della fisica delle particelle.
Per ascoltare spiegazioni e commenti su questa e su altre frontiere sperimentali aperte dalla viva voce dei protagonisti, si può segnalare agli studenti il video di INFN Comunicazione Macchine per scoprire, una lunga intervista (del 2016) ad alcuni esponenti italiani della ricerca al CERN di Ginevra, tra cui la direttrice generale Fabiola Gianotti.

Paragrafo 5 Esperienze sulle interazioni tra campi magnetici e correnti

In questo paragrafo si inizia a esaminare la complessa relazione tra corrente elettrica e campi magnetici dal punto di vista storico, descrivendo gli esperimenti condotti da Oersted, da Ampere e da Faraday; le leggi che ne scaturiscono verranno formalizzate e applicate nel paragrafo successivo.
Per supportare la spiegazione ci si può avvalere della Figura 23 (video DISEGNO ATTIVO) Campo magnetico generato da un filo percorso da corrente, che visualizza efficacemente le linee di forza del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente e la regola della mano destra che serve a determinarlo, della Figura 25 Esperienza di Ampère, riportata sulle slide, e della Figura 26 (video DISEGNO ATTIVO) Esperienza di Faraday.

Paragrafo 6 Le leggi sulle interazioni fra magneti e correnti

In questo paragrafo si formalizzano le leggi fisiche dedotte dalle esperienze descritte nel paragrafo precedente e si determina il comportamento di tre "oggetti" significativi: il filo rettilineo, la spira e il solenoide percorsi da corrente.
Le caratteristiche della forza agente su un filo rettilineo percorso da corrente sono spiegate nella Figura 27 (video DISEGNO ATTIVO) La forza magnetica su un filo percorso da corrente e verificate nel video (TUTOR demonstration) Forza magnetica su un filo percorso da corrente, che dà una dimostrazione di come è orientata la forza magnetica in base alle direzioni reciproche tra corrente e campo magnetico. Per vedere l'espressione di questa forza applicata in un problema ci si può cimentare nel Problem solving 4 La levitazione magnetica: si possono analizzare con i ragazzi la strategia e la soluzione proposta dalla scheda (riportata sulle slide), e chiedere loro di svolgere il Prova tu al termine.
Per il comportamento della spira percorsa da corrente si può fare riferimento alla Figura 28 (video DISEGNO ATTIVO) Forze magnetiche su una spira percorsa da corrente; può essere utile far notare agli studenti che per la spira si definisce un momento torcente perché è una grandezza adatta a descrivere il comportamento dinamico di un "corpo rigido" (si potrebbe richiamare a questo punto qualche nozione di dinamica del corpo rigido, momento di una forza e di una coppia di forze); il Problem solving 5 Momento torcente su una spira illustra come manipolare questa grandezza e sfruttarla per determinare altre grandezze coinvolte.
La legge di Ampère, che segue, merita una menzione particolare, in quanto è una delle quattro equazioni di Maxwell della teoria unitaria dell'elettromagnetismo. La sua formulazione nel testo è data senza fare riferimento alla circuitazione e può quindi risultare più semplice.
Dopo aver visto il comportamento dei tre oggetti, filo, spira e solenoide, percorsi da corrente in un campo magnetico esterno, se ne studia la capacità di generare essi stessi un campo magnetico intorno a sé: per vedere applicata la relazione sul filo, si può analizzare il Problem solving 6 Un filo che attrae.
Per l'interazione tra due fili si suggerisce di osservare il disegno animato della Figura 35 La direzione della forza magnetica tra due fili percorsi da corrente; per la spira, la Figura 36 Campo magnetico di una spira percorsa da corrente.

Il Problem solving 7 Nel cuore di un solenoide propone di calcolare la forza agente su una particella che attraversa un solenoide percorso da corrente.

In questo stesso paragrafo sono offerti Approfondimenti sui seguenti argomenti:
Il motore elettrico in corrente continua
Circuitazione del campo magnetico

Se lo si ritiene utile, possono essere assegnati a gruppetti di studenti, che li possono studiare e illustrare ai compagni preparando parti di videolezione sincrona per i compagni o brevi video da condividere su una chat di classe.

Paragrafo 7 Il magnetismo nella materia

Ora che è chiaro che le correnti elettriche generano campi magnetici, si può capire che cos'è che conferisce a un materiale proprietà magnetiche oppure no: bisogna scendere a livello atomico e considerare gli elettroni che orbitano intorno al nucleo dei rispettivi atomi. Sono tutte microcorrenti che generano intorno a sé microcampi magnetici: in base all'effetto complessivo, si hanno materiali ferromagnetici, paramagnetici o diamagnetici.
La struttura a domini dei materiali ferromagnetici è illustrata nel disegno animato Figura 40 Il Ferromagnetismo.
Il diamagnetismo invece dà origine a interessanti fenomeni di levitazione magnetica, spiegati nel box Real physics Esperimenti di levitazione riportato sulle slide.
Il paragrafo offre inoltre un Approfondimento sul ciclo di isteresi.

Per l’esercitazione

Durante lo studio del capitolo si possono assegnare a casa dei problemi a scelta della sezione Risolvi i problemi in chiusura del capitolo.
In vista dei test di ingresso all'Università, nella sezione Training per il tuo futuro si trova una scelta mirata di esercizi tratti dalle passate sessioni di test di ammissione.

Per il CLIL e per la verifica in autonomia

Al termine di questo capitolo, per il CLIL è disponibile la scheda di approfondimento Paleomagnetism completa di apparato didattico e di audio in lingua inglese.

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile la versione interattiva della Verifica di conoscenze e abilità di fine capitolo.

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;
• al Didastore, dove sono disponibili altri contributi digitali per l’approfondimento e per la verifica.

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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