L'equilibrio dei solidi

Percorso collegato al Capitolo 4 del volume FISICA. Modelli teorici e problem solving - Primo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 4 L'equilibrio dei solidi

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 4 L'equilibrio dei solidi 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 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.

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. L'equilibrio statico

Questo breve paragrafo contiene la definizione di due modelli fondamentali in fisica, che stanno alla base di tutta la meccanica: il punto materiale e il corpo rigido. Se ne può assegnare lo studio autonomo ai ragazzi e se ne può verificare la comprensione chiedendo a due o tre di loro di portare degli esempi di uno stesso corpo in due situazioni fisiche diverse: una in cui il corpo può essere assimilato a un punto materiale e l'altra in cui il suo comportamento va studiato assumendo il modello di corpo rigido. Dalle risposte può nascere un momento di confronto (tramite chat o interazione audio/video) da cui l'insegnante può cogliere gli spunti per eventuali chiarimenti.

Paragrafo 2. L'equilibrio di un punto materiale

In questo paragrafo si entra nel merito dell'argomento con l'analisi di diversi casi di equilibrio di corpi assimilabili a punti materiali.
Il caso più semplice è quello del corpo appoggiato su un piano orizzontale, che consente di visualizzare bene la condizione di equilibrio e di introdurre il concetto di reazione vincolare.
La spiegazione del caso successivo, quello del piano inclinato, può essere sostenuta dal disegno attivo Equilibrio di un corpo su un piano inclinato (TUTOR Disegno attivo), in cui è ben illustrata, forza per forza, la costruzione del diagramma delle forze, proprio come si farebbe alla lavagna.
Seguono i sistemi fisici con corpi appesi: per trattare l'argomento in modo più coinvolgente, dopo aver introdotto le forze di tensione nelle corde, si suggerisce di visualizzare l'efficace video (Author Demonstration) Pulling on a rope to make it stright, in cui l'autore, con l'aiuto di un collaboratore, applica due forze ai capi di una corda per tenere sospesa una massa appesa al centro. Per quanto tendano la corda, i due non riusciranno mai a renderla perfettamente orizzontale, perché in un'ipotetica configurazione orizzontale non ci sarebbe alcuna componente verticale verso l'alto a equilibrare la forza peso del corpo.
Il video è in lingua inglese, ma si possono attivare i sottotitoli in inglese o in italiano (è dunque un utile esercizio per il CLIL); a un certo punto è interrotto da una domanda interattiva a risposta multipla, che stimola e orienta il ragionamento. L'analisi delle risposte dei ragazzi alla domanda interattiva può essere lo spunto per allargare la spiegazione e approfondire la trattazione.
Al termine della lezione si possono invitare gli studenti a tornare sul video nel loro studio autonomo: possono lanciare il video direttamente dal link che trovano sul libro digitale o attivando con il proprio smartphone il QRCode riprodotto sulla pagina.

Paragrafo 3. L'equilibrio di un corpo rigido

Fondamentale per poter svolgere i problemi sull'equilibrio di un corpo rigido è comprendere come si compongono le forze agenti su punti diversi di un corpo rigido esteso. Si possono esaminare i diversi casi in una spiegazione frontale con l'aiuto delle slide, avvalendosi anche dei disegni attivi (video) disponibili:

Si prosegue introducendo il momento torcente. Il senso fisico di questa grandezza è sempre di difficile comprensione per i ragazzi; per aiutarli a visualizzare l'importanza del braccio nella sua definizione può essere utile guardare e commentare insieme il video (Author Demonstration) Snapping a Bolt With Leverage. È l'autore stesso a illustrare come l'intensità della forza richiesta per avvitare un bullone sia molto più piccola se la forza è applicata all'estremità di un'asta lunga (cioè se il braccio è grande), piuttosto che di un'asta corta (cioè se il braccio è piccolo).
Anche in questo caso il video è in inglese, con sottotitoli in inglese o in italiano, ed è interrotto a un certo punto da una domanda a scelta multipla che orienta il ragionamento dei ragazzi.

Una volta compresa la definizione di momento torcente e calcolato il momento in sistemi fisici diversi, è utile spiegare passo passo il Problem solving 3 In che verso gira il timone?, facendo riferimento alle slide che lo riportano. A seguire si può assegnare ai ragazzi il Prova tu in un tempo stabilito e poi chiedere a uno o più di loro di esporre il risultato, condividendo la strategia risolutiva.

Il paragrafo si conclude con la condizione di equilibrio per il corpo rigido, illustrata nel caso di un bambino seduto su una tavola di legno sorretta alle estremità. Per movimentare la spiegazione si può visualizzare il disegno attivo (video) Equilibrio statico di un corpo rigido, in cui risulta molto chiaro come la condizione di equilibrio sulle sole forze non basti a garantire l'equilibrio, ma sia necessaria una seconda condizione, che è quella sul momento torcente totale.
Prima dell'assegnazione di esercizi applicativi si suggerisce di analizzare con i ragazzi la scheda OperativaMente Condizioni di equilibrio di un corpo rigido, che fornisce il metodo passo passo. La scheda Problem solving 4 In equilibrio sul trampolino offre l'occasione di vedere subito il metodo applicato a un esercizio; i ragazzi possono poi cimentarsi nel Prova tu proposto al termine.

Infine, con riferimento ai primi tre paragrafi, si possono assegnare a casa dei problemi a scelta della sezione Primi problemi che precede il paragrafo 4.

Paragrafo 4. Centro di massa ed equilibrio

Nel diagramma delle forze di un punto materiale tutte le forze si applicano all'unico punto di cui si immagina costituito il corpo, ma dove si applica la forza peso in un corpo rigido? Anche in questo caso la spiegazione può seguire le slide e può arricchirsi del video (Tutor Demonstration) Balancing a meter stick, che mostra l'applicazione del principio di equilibrio per determinare il centro di massa di un'asta con un peso a un'estremità. È utile guardare il video insieme ai ragazzi in modo da tradurre eventuali punti oscuri (è in inglese con sottotitoli in inglese) e guidarli nella risposta alla domanda che viene posta a metà: basta scrivere la condizione di equilibrio sui momenti delle forze e risolverla rispetto al braccio incognito.

Per fornire ai ragazzi un ulteriore supporto nella risoluzione dei problemi sul centro di massa di corpi irregolari si suggerisce l'analisi del Problem solving 5 Il gatto equilibrista. Propedeutico (e avvincente!) è la Video Tutor demonstration Walking the Plank, in lingua inglese con sottotitoli in inglese, anch'essa arricchita di un momento interattivo con domanda a risposta multipla: si può seguire insieme ai ragazzi, magari in una lezione sincrona con condivisione dello schermo, fermando il video all'occorrenza per tradurre eventuali punti non chiari e discutere insieme l'applicazione del principio dell'equilibrio che evita al tutor di cadere dalla tavola di legno.

I concetti che seguono (relazione tra equilibrio e posizione del centro di massa) sono piuttosto intuitivi e in genere gli studenti li colgono bene: si potrebbero assegnare per lo studio autonomo, sostenuto dalla consultazione dei disegni attivi (video):

Il Problem solving 6 Giochi di equilibrio merita invece un'analisi passo passo in una lezione sincrona. Anche in questo caso, al termine si può assegnare la risoluzione del Prova tu in un tempo stabilito e poi tornare in condivisione al termine chiedendo a uno o due ragazzi di condividere la strategia di risoluzione.

Paragrafo 5. Le leve

I tre tipi di leve e i relativi esempi si possono considerare applicazioni dell'equilibrio: se ne può assegnare lo studio autonomo e verificare la comprensione organizzando un momento di confronto con i ragazzi sulla chat o in modalità audio/video. Lo studio può avvalersi del disegno attivo (video) Un semplice modello di leva.
Per la verifica dei paragrafi 4 e 5 si possono assegnare degli esercizi della sezione Primi problemi proposti a fine capitolo.

Per il ripasso e la verifica in autonomia

Al termine di ciasuna 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 Il blocco di ghiaccio (video).

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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