La corrente elettrica e i circuiti in corrente continua

Percorso collegato al Capitolo 15 del volume FISICA. Modelli teorici e problem solving - Secondo biennio e quinto anno, di James S. Walker.

Capitolo 15 La corrente elettrica e i circuiti in corrente continua

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 15 del volume 3, La corrente elettrica e i circuiti in corrente continua, 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 la lezione 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. La corrente elettrica

In questo primo paragrafo si introducono i protagonisti del capitolo: la corrente elettrica e i circuiti. Diversamente dai fenomeni descritti nella meccanica, quelli elettrici sono tradizionalmente più ostici da comprendere per i ragazzi, perché meno facili da visualizzare; si propone allora l'efficace visualizzazione della Figura 1 Analogia tra flusso dell'acqua e la corrente elettrica, che suggeriamo di attivare nel corso della spiegazione: illustra in modo immediato il concetto di corrente e il significato di differenza di potenziale rapportandoli all'idea del flusso d'acqua in un tubo.
Analogamente, la Figura 3 Verso della corrente e flusso degli elettroni consente di distinguere il verso del movimento degli elettroni da quello che per convenzione si assume come verso della corrente.

Paragrafo 2. La resistenza e le leggi di Ohm

Il concetto di resistenza elettrica è di facile comprensione se si pensa al suo significato microscopico: gli elettroni, nel loro moto di avanzamento, sono ostacolati dal reticolo cristallino del materiale in cui si muovono. Si può suggerire ai ragazzi di cercare in rete dei video o delle animazioni che illustrino questo meccanismo e di condividerli con i compagni.

Per quanto riguarda gli effetti macroscopici della resistenza, invece, si possono apprezzare nel video La resistenza di fili di materiale diverso: lo si può attivare nel corso della spiegazione, in un collegamento con condivisione dello schermo, aiutando i ragazzi a ragionare sulla domanda interattiva che viene posta a metà. Il video è in inglese, ma si possono impostare i sottotitoli in inglese o in italiano.

Dopo aver colto il senso dei fenomeni dal punto di vista qualitativo, si può passare alla fase quantitativa analizzando il Problem solving 2 Un filo di rame percorso da corrente. La scheda illustra passo passo come affrontare un problema in cui è richiesta l'applicazione di entrambe le leggi di Ohm. Se ne possono seguire le fasi sulle slide in una lezione sincrona (o registrata) e al termine si può assegnare il Prova tu proposto in chiusura, da svolgere in un tempo stabilito; a tempo scaduto si potrà chiedere a due o tre ragazzi di condividere il risultato e la strategia risolutiva. Eventuali dubbi nella risoluzione dell'esercizio potranno essere lo spunto per ulteriori spiegazioni e chiarimenti.

Paragrafo 3. Energia e potenza nei circuiti elettrici

Gli argomenti di questo paragrafo - la potenza elettrica e l'energia dissipata per effetto Joule - spiegano il meccanismo di innumerevoli sistemi e strumenti di uso quotidiano e può quindi essere di grande interesse per i ragazzi.
Per introdurre l'effetto Joule si può riproporre il video La resistenza di fili di materiale diverso, già visto a proposito della resistenza nei metalli: è l'effetto Joule, infatti, il fenomeno responsabile del riscaldamento del metallo e quindi della scenografica bruciatura del foglietto di carta a cui si assiste.
La lezione si deve poi spostare a un livello operativo con l'analisi delle tre schede di Problem solving:

3. Quanta energia dissipa la resistenza?
4. Quanto tempo ci vuole per riscaldare l'acqua?
5. Il tacchino è servito!

Si possono analizzare passo passo seguendo le slide in modalità sincrona, oppure si possono far studiare a casa ai ragazzi, assegnandole a gruppi e facendo spiegare il procedimento al resto della classe in lezioni condotte a turno dai singoli gruppi.
Per rendere più concreta la lezione si possono infine cogliere gli spunti del box Real Physics Potenza assorbita dagli elettrodomestici e chiedere ai ragazzi di fare un calcolo sul consumo dei loro elettrodomestici: potrebbero per esempio informarsi sulla potenza del contratto di fornitura elettrica di casa e fare il calcolo per trovare una combinazione di apparecchi che si possono far funzionare contemporaneamente senza "far saltare il contatore".

Paragrafo 4. Le leggi di Kirchhoff

Le due leggi di Kirchhoff sono regole pratiche che consentono di risolvere gli esercizi, ma è importante sottolineare che sono la conseguenza di due importanti leggi di conservazione: quella della carica (la legge dei nodi) e quella dell'energia (la legge delle maglie).
Nel corso della spiegazione si potrà fare riferimento alle slide; per la Figura 18 La legge delle maglie di Kirchhoff è disponibile la versione video.
Per vedere una prima applicazione delle leggi di Kirchhoff si può proporre l'esercizio svolto 6 a p. 246: si può chiedere ai ragazzi di provare a risolverlo da soli senza guardare la risoluzione, consultandola solo in caso di necessità. Gli esercizi da assegnare per il lavoro autonomo si trovano sul testo a partire da p. 284.

Paragrafo 5. Resistenze in serie e in parallelo

Per spiegare come funziona il collegamento in serie o in parallelo di due o più resistenze ci si può avvalere di due disegni attivi: la Figura 18 Andamento del potenziale nel circuito di figura 17a e la Figura 21 Cortocircuito che spiega che cosa avviene fisicamente quando per esempio si rompe un elettrodomestico in casa.
La lezione dovrà poi focalizzarsi sullo studio del Problem solving 6 Tre resistenze in serie: come sempre, questo tipo di scheda prevede una fase di analisi in cui si mette a punto la strategia di risoluzione, una fase operativa di calcolo e una finale di osservazione in cui sono evidenziati i principi. Il Prova tu finale, che suggeriamo di assegnare ai ragazzi al termine, propone di ripercorrere il problema con dati diversi ed è quindi un'utile palestra per loro.
Lo stesso procedimento si può seguire per il problema sulle resistenze in parallelo analizzato nel Problem solving 7, Tre resistenze in parallelo.

Il quesito posto nel box Real Physics Che cosa succede se si inserisce un'altra lampadina?, riportato sulle slide, può essere lo spunto per introdurre il video Lampadine in serie e in parallelo. Lo si può seguire con i ragazzi in una lezione sincrona, oppure se ne può proporre la fruizione autonoma a casa (si può cliccare sul link dal libro digitale o riprendere con lo smartphone il QRcode riprodotto sulla pagina). Il video è in inglese, con sottotitoli in inglese o in italiano, e presenta una domanda interattiva nel mezzo che orienta e stimola il ragionamento dei ragazzi.
Il video illustra i concetti dal punto di vista qualitativo; per averne una spiegazione quantitativa si segnala invece l'efficace videolezione del Politecnico di Milano Effetto Joule, in cui, con modalità alla portata della scuola secondaria, viene calcolata la potenza dissipata per effetto Joule da due resistenze collegate in serie o in parallelo (viene quindi data la spiegazione fisica del perché le lampadine siano più o meno luminose se collegate in un modo o nell'altro).

Per passare a circuiti più complessi si possono visualizzare e analizzare i seguenti disegni attivi:

• Figura 22 Circuiti resistivi complessi per un circuito con quattro resistenze, due in serie e due in parallelo;
• Figura 24 Risoluzione di un circuito;
• Figura 29 Applicazione della legge delle maglie a un circuito con due generatori per un circuito a due maglie, ciascuna con il proprio generatore.

Paragrafo 6. Circuiti con condensatori

In questo paragrafo si impara a calcolare la capacità di sistemi di condensatori collegati in serie e in parallelo. Per questo sono proposte due schede di guida alla risoluzione dei problemi, che suggeriamo come sempre di studiare insieme ai ragazzi, in una lezione possibilmente sincrona, seguendo le slide di Power Point: il Problem solving 9 Energia in parallelo, in cui si analizza un circuito con condensatori collegati in parallelo, e il Problem solving 10 Capacità equivalente ed energia immagazzinata, in cui si studia un circuito con due condensatori collegati in serie e uno in parallelo.
Al termine si può cogliere lo spunto suggerito dal box Real Physics Lampade touch sensitive e proporre a due o tre ragazzi di documentarsi sul meccanismo di funzionamento di queste lampade e, in particolare, sul ruolo dei condensatori al loro interno: potranno esporre le loro scoperte ai compagni in una breve videolezione, sincrona o registrata.

Paragrafo 7. Circuiti RC

L'argomento di questo paragrafo è piuttosto complesso e di difficile riscontro nell'esperienza dei ragazzi; può quindi risultare utile affrontarlo con il supporto del video Scarica di condensatori in serie e in parallelo in cui i circuiti normalmente rappresentati sul libro in modo simbolico si vedono realizzati materialmente. Per rendere il tutto più efficace si suggerisce poi di far disegnare agli studenti gli schemi dei due circuiti mostrati nel video riproducendo i corretti collegamenti in serie e in parallelo, e magari di fornire un'analisi quantitativa del fenomeno.
Il Problem solving 11, Carica di un condensatore, consente di vedere i concetti applicati alla risoluzione di un esercizio.

L'argomento dei circuiti RC fornisce lo spunto per un ripasso interdisciplinare delle proprietà della funzione esponenziale: si possono incaricare due o tre ragazzi di preparare un breve video di ricapitolazione delle proprietà o, in alternativa, si può proporre alla classe il videotutorial del Politecnico di Milano, Esponenziali e logaritmi (alla funzione esponenziale è dedicato il primo minuto e mezzo).
Se il livello raggiunto con il programma di matematica lo consente, inoltre, ci si può spingere oltre spiegando ai ragazzi la relazione matematica tra la funzione carica elettrica e la funzione corrente e chiedendo loro di ricavare l'espressione della corrente derivando "rispetto al tempo" la carica elettrica.

Per approfondire ulteriormente l'argomento si segnala l'attività di Laboratorio con GeoGebra Carica di un condensatore: è descritta passo passo nel testo e ne è fornito il file già realizzato a questo link.
Se i ragazzi hanno già dimestichezza con il software di GeoGebra è possibile assegnare anche il Prova tu posto in chiusura, che propone di realizzare un'attività analoga sul processo di scarica.

Paragrafo 8. Amperometri e voltmetri

Chiude il capitolo un paragrafo dedicato agli strumenti di misura della corrente e della tensione. La spiegazione può essere utile per consolidare i concetti di collegamento in serie e in parallelo in un circuito e si può avvalere dei seguenti disegni attivi:

Figura 40 Misurazione della corrente in un circuito
Figura 41 Misurazione della tensione in un circuito

Infine si possono assegnare a casa dei problemi a scelta dalla sezione Risolvi i problemi in chiusura del capitolo.
Una scelta di quesiti e problemi mirati si trova nella sezione esercitativa Training per l'Esame di Stato. In vista dei test di ingresso all'università è presentato il Training per il tuo futuro, con domande a risposta multipla tratte dalle passate sessioni di test di ammissione alle principali Università.

Per il CLIL e per la verifica in autonomia

Per il CLIL è disponibile la scheda di approfondimento Sending nerve signals, 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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