3. Un
Esempio di Percorso basato sul Laboratorio Virtuale
I
principali vantaggi offerti da un percorso didattico basato sulle tecnologie
multimediali, sono quelli di favorire e incoraggiare indagini e ricerche con
attività di problem-solving, da
effettuare nella prima fase di studio o come integrazione e completamento di un
lavoro già avviato. In questo lavoro particolare attenzione è data al
laboratorio virtuale realizzato con le applet,
al fine appunto di avviare i ragazzi all'esplorazione o al “riesame” di fatti e concetti nell'ambito di
determinate tematiche o situazioni nodali.
L'attività in rete potrà anche consentire, come già evidenziato nel
capitolo precedente, la visita a musei virtuali attraverso i quali rendere più
immediate e avvincenti alcune contestualizzazioni storiche ed eventuali
collegamenti interdisciplinari. Le attività virtuali potranno integrarsi con
quelle svolte nel laboratorio di informatica attraverso l'uso di CD-Rom o altro
materiale (vedi ad esempio Fisica
Interattiva della Zanichelli) con verifiche, esercizi e test a risposta
multipla: http://www.zanichelli.it/f_scuola.html
Figura 1
Altri esercizi possono essere
condotti con particolari pacchetti particolarmente adatti alla progettazione e
costruzione di micromondi virtuali (ad esempio molle, corde, pendoli, piani
inclinati e altro) per l'attivazione di simulazioni con misure ed esperimenti,
(in figura 1 è riportata un immagine ottenuta con il software "Interactive Physics" della
Knowledge Revolution Inc.: www.Krev.com).
Come esempio di percorso
multimediale che utilizzi le potenzialità della rete, consideriamo ora alcuni
classici argomenti di cinematica che, come sappiamo, costituisce in genere l'avvio del programma di fisica in
una classe liceale o di un istituto tecnico. Le grandezze fisiche in gioco, quali posizione,
velocità e accelerazione, sono rappresentate da vettori, che possono essere
introdotti anche attraverso alcune tematiche inerenti
l'equilibrio dei corpi materiali. Una simulazione riguardante lo studio della
scomposizione delle forze con la regola
del parallelogramma, riportata in figura 2, è rintracciabile al sito: http://www.walter-fendt.de/ph14i/equilibrium.htm
Figura 2
Quasi tutte le applet e le simulazioni qui prese in
esame sono accompagnate da una breve presentazione che, oltre a spiegare l'uso
dell'applicazione stessa, mette in luce i prerequisiti necessari per una
corretta interpretazione degli esperimenti. E' importante che l'insegnante
faccia riferimento a queste introduzioni per approntare la scheda di lavoro che
accompagnerà l'attività per monitorare le conoscenze acquisite e dei progressi
effettuati dagli studenti.
Uno dei concetti chiave non solo per l'analisi del moto, ma per tutta
la fisica in genere, è quello di sistema di riferimento attraverso il quale
discutere e approfondire i principi di relatività da Galilei ad Einstein. A tal fine si considerino le applet sviluppate da Ku Hwang dell'Università
di Taiwan, di cui forniamo, a fine capitolo, un esempio di scheda di lavoro con
attività investigative (in fig.3 ):
http://www.phy.ntnu.edu.tw/~hwang/relativeVelocity/relativeVelocity.html
Figura 3
Partendo poi dai due postulati di relatività speciale è possibile introdurre
e sviluppare un concetto di fondamentale importanza, quale quello di
spazio-tempo: http://www.phy.ntnu.edu.tw/~hwang/relativity/relativity.html
Un corso completo sulla teoria della relatività ristretta e generale è
reperibile alla pagina web http://suhep.phy.syr.edu/courses/modules/LIGHTCONE (fig.4) e
richiede plug-in di tipo VRML (Virtual Reality Model Language) particolarmente efficace per
visualizzare oggetti tridimensionali. Nel progetto “Cono di Luce”, sviluppato
presso il dipartimento di fisica dell'università di Syracuse negli Usa, l'idea
fondamentale è quella di illustrare, anche con l'uso di animazioni, l'evoluzione
del concetto di spazio-tempo, dalla
fisica Aristotelica a quella Galileiana e Newtoniana per giungere infine a
quella Einsteniana. Il “cono di luce” è
un modello matematico che codifica la
struttura causale del mondo fisico in cui ogni evento, specificato da quattro
coordinate, tre spaziali ed una temporale, viene rappresentato entro un
doppio cono le cui generatrici corrispondono alla propagazione dei raggi
luminosi[1]. L'evoluzione di un dato
fenomeno pertanto, corrisponde ad un insieme di punti formanti
una linea di universo che attraversa questo doppio cono. Con questa
rappresentazione pertanto, è possibile distinguere un evento passato
(visualizzabile nella falda inferiore) da un evento futuro (nella falda superiore).
Figura 4
Passando alla dinamica,
nell'introdurre lo studio del moto uniformemente accelerato, è bene dapprima prendere
in esame il caso unidimensionale: http://www.walter-fendt.de/ph14e/acceleration.htm
Allo stesso sito sono
disponibili numerose esperienze per introdurre e discutere il principio di
inerzia e giungere quindi alla formulazione della seconda legge della
dinamica: http://www.walter-fendt.de/ph14e/n2law.htm
(fig.5)
Successivamente una sua
immediata applicazione potrà consistere nell'analizzare il moto di un punto
materiale sul piano inclinato, reperibile all'url:
http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspDetail&ResourceID=27
In figura 5, l'icona relativa alla simulazione, mostra (in alto a
sinistra) una rotaia su cui è appoggiato un carrello di massa M, trainato da un
altro corpo di massa m, che scende per azione della forza peso. Il
grafico al centro evidenzia il diagramma orario del corpo di massa M che, per
un moto di questo tipo, corrisponde a una parabola passante per
l'origine e di equazione s = k t2
dove k è una costante da determinare[2]. Agendo con il mouse nella
barra a destra, è possibile modificare i valori di M ed m così come introdurre
il coefficiente di attrito dinamico m. In
questa applet è notevole la
possibilità di registrazione (tasto record/data) dei dati sperimentali
(spazio,tempo) al fine di una successiva rielaborazione degli stessi, magari
con l'uso di un foglio elettronico.
Figura 5
Un altro esempio di moto unidimensionale che avviene ad accelerazione
costante è la caduta di un pallone sotto l'azione della forza di gravità
(fig.6):
http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspDetail&ResourceID=25
In questa come in altre esperienze sviluppate al sito explorescience, il plug-in di shockwave, consente
un elevato grado di interattività. In effetti, l'utilizzo di questa applet, consente la predisposizione di
numerosi parametri quali la densità dell'aria, l'intensità del vento, il raggio
della sferetta ed il suo possibile rimbalzo.
E' bene, a mio avviso, partire dal caso più semplice (senza mettere ad esempio in gioco il vento o la densità del mezzo con gli attriti), per arrivare con gradualità all'esame di situazioni fisiche più complesse, anche dal punto di vista della loro descrizione matematica.
In seguito si può prendere in esame il moto circolare uniforme per indagare, in
questo ambito, le esperienze sul moto armonico, di cui troviamo qualche esempio
a http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspDetail&ResourceID=44 oppure:http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/ita/pendolo/pendolo_ita.htm
la cui applet è stata descritta nel
capitolo precedente.
Figura 6
L'esperimento del pendolo può servire da link concettuale per introdurre, al termine del modulo, qualche
esempio riguardante la dinamica dei fenomeni non lineari nell'ambito delle
teorie del cosiddetto “caos deterministico”. In tal senso un collegamento ben
strutturato, per la presentazione e lo sviluppo sistematico e approfondito di
questi temi, è rintracciabile alle seguenti pagine web: http://monet.physik.unibas.ch/~elmer/pendulum/,
sviluppate dal dipartimento di fisica dell'università di Basilea. Tutte le applet Java presenti in questo laboratorio
multimediale, sono organizzate come in figura 7: nella parte centrale è situata
l'area preposta alle animazioni (in questo esempio un pendolo che può obbedire
a delle oscillazioni forzate); nella zona a sinistra l'area dedicata
all'impostazione dei parametri (ampiezza e frequenza della forza esterna) e
infine, a destra, la zona delle misure effettuate tramite un cronometro ed un
oscilloscopio, utile per lo studio di certe proprietà del sistema, come il
cosiddetto diagramma di fase nel piano posizione-velocità. Dalla discussione e
dal confronto delle esperienze può nascere la necessità di un “assistente in
linea” che possa rispondere a domande e chiarimenti di
vario genere. E' possibile allora
rivolgersi al sito http://www.Physlink.com/ask_experts.cfm con il vivo consiglio però di non prendere
acriticamente in esame le risposte fornite, ma di
metterle sempre al vaglio dello studio e delle conoscenze raggiunte dai
ragazzi.
Figura 7
3.1 Qualche riflessione epistemologica
Numerosi sono ormai gli interventi pro e contro la cosiddetta
teledidattica (vedi ad esempio
l'articolo presente il n°12 della rivista elettronica Telemà http://www.fub.it/telema/TELEMA12/Telema12.html) nei
quali si analizzano le implicazioni pedagogiche e culturali relative
all'introduzione e alla sperimentazione delle tecnologie multimediali nei nuovi
curricula. Quasi tutti concordano nell'affermare che siamo oggi di fronte a un
sensibile mutamento di paradigma che vedrà sempre più il docente nel ruolo di mediatore e coordinatore dell'apprendimento dei
ragazzi, nell'ambito della costruzione di un sapere reso più attivo e
personalizzato dall'uso intelligente delle
nuove tecnologie.
Indubbiamente siamo di fronte ad un tale elemento di novità che è
facile lasciarsi prendere, soprattutto da chi è esterno al mondo della scuola,
da posizioni trionfalistiche e di quasi
completo rigetto del modo di fare scuola fin qui maturato. D'altra parte
l'esperienza mi porta ad affermare che non
è affatto semplice cambiare la prospettiva di quanti dovrebbero farsi
carico dell'inserimento delle nuove tecniche, con tutto quello che ne consegue:
l'autoaggiornamento, la rivisitazione dei programmi, l'organizzazione delle
verifiche e quant'altro.
In questo quadro allora il pericolo è che o non
si faccia praticamente niente per migliorare la qualità o, quel poco, lo si
faccia abbastanza male per convincere la maggioranza a non attuare le spinte
innovative di cui però ormai quasi tutti sentiamo l'urgenza e la necessità.
Occorre allora, a mio avviso, inserire gradualmente gli elementi di
novità cercando di far cogliere bene il senso e la qualità delle tecnologie,
rendendole pertanto plausibili soprattutto agli occhi dei ragazzi e facendo
cogliere l'effettiva utilità delle stesse nell'esame dei casi dove l'approccio tradizionale risulta
inadeguato nella spiegazione delle
problematiche prese in esame. Nella progettazione e nelle simulazioni
potranno altresì svilupparsi alcuni casi limite, non altrimenti realizzabili
con un esperimento concreto, al fine di favorire la speculazione concettuale
rispetto ad ambienti lontani dal proprio patrimonio esperienziale: ad esempio,
lo studio del moto dei corpi, può essere effettuato nel campo gravitazionale
lunare o di un diverso pianeta, variando con continuità il valore
dell'accelerazione di gravità g.
Tuttavia, accanto a queste annotazioni sostanzialmente positive, ci
chiediamo in che modo e in quale misura l'attività del laboratorio virtuale
possa sostituirsi all'esperimento reale, laddove in quest'ultimo si impara a
confrontarsi con lo strumento e ad associare ad ogni misura l'errore. La mia
personale risposta è che le due attività vanno collocate su livelli di
apprendimento complementari e pertanto devono integrarsi in uno scambio
reciproco di fatti e metodi sul piano della progettazione e della
sperimentazione e su quello dell'indagine euristica e della sua valutazione
critica nell'ambito della scoperta e/o della verifica di leggi.
Infine, il maggiore coinvolgimento generalmente innescato dalle
attività multimediali, aiutando a
liberare l'apprendimento verso una maggiore consapevolezza del proprio agire in
funzione degli oggetti conoscitivi, può contribuire al recupero e alla
valorizzazione di una dimensione ludica altrimenti destinata a rimanere sommersa
o inespressa.
Sono sostanzialmente d'accordo nell'affermare che: "se il gioco è l'attività principe per imparare, cioè permette al
nostro corpo di impadronirsi di nuove capacità, quando si tratta di capacità
così complesse come la matematica e la fisica, allora il computer è il
materiale di gioco ideale. Così come ora un computer ci può insegnare a giocare
a scacchi, esso ci può insegnare a far matematica e fisica".
G. Zito http://www.ba.infn.it/~zito/giochi.html
3.2 IL MOTO RELATIVO: una scheda di Lavoro
Nome ________________________Cognome
_________________________
Il Moto relativo:
Uno sguardo ai "Sistemi di
Riferimento"
http://www.phy.ntnu.edu.tw/~hwang/relativeVelocity/relativeVelocity.html
http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/mirror/ntnujava/indexPopup.html
Note
generali relative alla simulazione:
Se premi il tasto destro del mouse
l'animazione viene sospesa.
Se premi il tasto sinistro l'animazione
ripartirà appena il pulsante è rilasciato.
Se premi il tasto destro devi cliccare di
nuovo per far ripartire l'animazione.
Introduzione
Questa applet Java (vedi fig. 3) consente di
osservare e valutare il moto di alcuni corpi in differenti sistemi di
riferimento. Immagina un fiume nel centro dello schermo (i punti gialli si
muovono con l'acqua indicata in verde) ed una barca rossa in moto rispetto alla
riva. Una persona (in blu) cammina sul bordo di un fiume e può all'occorrenza
attraversarlo a nuoto. Si può facilmente
cambiare il sistema di riferimento muovendo il mouse nelle differenti regioni
dello schermo: ad esempio muovendolo all'interno del fiume, si diventa un
osservatore solidale con l'acqua. Se invece si sposta il mouse in prossimità
della barca, si è in quiete rispetto ad essa e sono gli altri corpi a
muoversi. L'oggetto che rappresenta il sistema
di riferimento è fermo e ha una velocità di 0.0 m/s.
|
Riferimento |
Suolo |
Persona |
Fiume |
Barca |
|
|
|
Colore |
Grigio |
Blu |
Verde scuro |
Rosso |
||
Ad
ogni corpo è associato un vettore velocità che pertanto non resterà sempre
dello stesso colore. Completa la tabella
sotto:
|
Riferimento |
Suolo |
Persona |
Fiume |
Barca |
|
|
|
Colore del vettore |
Nero |
|
|
|
|
Per visualizzare i vettori clicca su Info
all'estremità superiore della applet.
¨ Come
cambiare i vettori velocità.
Premi il tasto destro per sospendere
l'animazione. Ora clicca sulla freccia del vettore e spostala da sinistra a destra. Questa procedura
può essere usata per il suolo, il fiume, l'uomo o per la barca, al fine di
cambiare la loro velocità.
ü
Fase 1
Con il cursore del mouse sul suolo clicca
il tasto destro per fermare l'animazione. Metti la freccia cursore del mouse
sulla barca e sposta il mouse in modo che il vettore velocità barca sia in
modulo di 0.0 m/sec (valori negativi indicano che il verso è opposto). Clicca il tasto
destro per riattivare l'animazione.
Determina la velocità relativa della barca
quando il cursore del mouse è sul fiume poi sul suolo, sulla barca e
sull'uomo. Registra questi dati nella
tabella.
|
Riferimento |
Suolo |
Persona |
Fiume |
Barca |
|
||
|
Velocità
relativa |
m/s |
m/s |
m/s |
0.0 m/s |
||
ü Fase
2
Metti la freccia del mouse sul suolo e
clicca sul tasto destro. Determina la
velocità relativa dell'uomo, del fiume e della barca, rispetto al suolo e
registra i valori nella tabella dati che segue.
|
Riferimento |
Suolo |
Persona |
Fiume |
Barca |
|
||
|
Velocità relativa |
0.0 m/s |
m/s |
m/s |
m/s |
||
ü
Fase 3
|
Riferimento |
Suolo |
Persona |
Fiume |
Barca |
|
||
|
Velocità Relativa |
m/s |
m/s |
0.0 m/s |
m/s |
||
¨
Analisi generale:
La velocità della barca è la stessa in ogni sistema di
riferimento. E' vero o è falso?
In quale sistema/i di riferimento la velocità della barca è
costante?
________________________________________________________________
In quale sistema/i la barca si sta muovendo con velocità
negativa? ________________________________________________________________
In quale/i con velocità positiva?
________________________________________________________________
Che cosa determina la velocità di un oggetto (in modulo
direzione e verso)?
________________________________________________________________
¨ Analisi
dei dati:
Indica con VFS la
velocità del fiume rispetto al suolo, con VBF la velocità
della barca rispetto al fiume e con VBS quella della barca rispetto al suolo. Dall'esame
delle tabelle qual è la relazione matematica che collega VFS
VBF e VBS?
______________________________________________________________
Esiste una relazione simile prendendo ora in esame l'uomo
il fiume e il suolo? Quale?
______________________________________________________________
Sai ricavare altre relazioni di questo tipo?
______________________________________________________________
¨ Studio di un moto
piano
Prima di cominciare occorre predisporre la pagina web: clicca su Reset e poi su Info alla
sommità della applet. Osserva che vi
sono due numeri vicino alla persona (0.0 e 5.0). Questi rappresentano le due componenti della velocità
(verticale e orizzontale) della persona nel sistema di riferimento prescelto.
Sul suolo la velocità verticale predefinita è 0.0 m/s mentre quella orizzontale
è 5.0 m/s. (Valori positivi indicano che l'uomo si sposta a destra o verso il
basso sullo schermo, negativi in caso contrario). Quando l'animazione è
sospesa:
Clicca in prossimità del lato sinistro
della persona e sposta il mouse in su o giù: in questo modo stai cambiando la
velocità verticale. Imposta il moto verticale a +10 m/s e quello orizzontale a
0.0 m/s. Posiziona la freccia del mouse sul suolo e clicca con il tasto destro
per far ripartire l'animazione.
ü
La persona si
muoverà verso il fiume, quindi nuota in esso e poi ritorna sul suolo. Il moto
si ripete.
ü
Registra le
componenti orizzontale e verticale della velocità dell'uomo misurate rispetto
al suolo, rispetto al fiume e rispetto alla barca.
|
Riferimento
solidale col |
Suolo |
Fiume |
Barca |
||||
|
Velocità
orizzontale uomo misurata rispetto al suolo |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
|
Velocità
verticale uomo misurata
rispetto al suolo |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
|
Velocità
orizzontale uomo misurata
rispetto al fiume |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
|
Velocità
verticale uomo misurata
rispetto al fiume |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
|
Velocità
orizzontale uomo misurata
rispetto alla barca |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
|
Velocità
verticale uomo misurata
rispetto alla barca |
m/s |
m/s |
m/s |
|
||||
In quale sistema l'uomo ha solo la componente verticale
della velocità?
__________________________________________________________________
Perché in esso la velocità orizzontale è 0.0 m/s?
__________________________________________________________________
In quale sistema l'uomo ha sia una velocità orizzontale che
verticale?
__________________________________________________________________
In quale sistema la sua velocità orizzontale è
negativa?
__________________________________________________________________
Perché è negativa?
__________________________________________________
Moto relativo bidimensionale – Lancio di un
Proiettile
Al fine di illustrare un moto relativo
bidimensionale occorre selezionare 2D e reimpostare la pagina Web.
Parte A
Clicca il tasto destro del mouse per
sospendere l'animazione e poi 2D. Metti il
cursore sul suolo e clicca il tasto destro per far ripartire l'animazione. Una
palla sarà lanciata verso l'alto dalla chiatta che si muove sul fiume. Ora il tuo sistema di
riferimento è il suolo e la traiettoria della palla (blu) è mostrata rispetto a tale sistema di
riferimento.
Descrivi la traiettoria della palla vista
sullo schermo:
__________________________________________________________________
Dove atterra la palla? __________________________________________________________________
Che tipo di traiettoria descrive la palla?
__________________________________________________________________
Qual è la velocità della chiatta?
__________________________________________________________________
Che cosa osservi e cosa concludi sulla velocità orizzontale
della palla? __________________________________________________________________
Parte
B.
Reimposta la pagina web.
Clicca il tasto destro del mouse per
sospendere l'animazione e poi clicca su 2D.
Metti il cursore sul fiume e clicca col tasto destro per far ripartire
l'animazione. Ora il tuo sistema di riferimento è il fiume. La traiettoria
della palla (blu) ti sarà mostrata rispetto a quest'ultimo sistema di
riferimento. Descrivi la traiettoria della palla:
__________________________________________________________________
Dove cadrà la palla?
__________________________________________________________________
Che tipo di traiettoria descrive la palla? Perchè?
__________________________________________________________________
Qual è la velocità della chiatta?
__________________________________________________________________
Che cosa osservi ora e concludi sulla velocità orizzontale
della palla?
__________________________________________________________________
Parte C.
Reimposta la pagina
web.
Clicca il tasto destro per sospendere
l'animazione e clicca su 2D. Metti il
cursore sulla chiatta (indicata da un segmento orizzontale) e poi clicca il tasto destro. La palla è lanciata verso l'alto dalla
chiatta che si muove sul fiume. La traiettoria della palla (blu) è mostrata
rispetto al sistema di riferimento del suolo.
Che cosa osservi di nuovo in merito alla traiettoria della
palla?
__________________________________________________________________
Dove cadrà la palla?
__________________________________________________________________
Come giustifichi ora la traiettoria descritta dalla palla?
__________________________________________________________________
Che cosa osservi in merito alla velocità della
chiatta?
__________________________________________________________________
Che cosa osservi e concludi in merito alla velocità
orizzontale della palla?
__________________________________________________________________
Riassumi ora le principali idee che hai
imparato in questa esperienza virtuale riguardante la descrizione del moto rispetto a uno o
più sistemi di riferimento.