Attività didattica adener1: Energia, conservazione e dissipazione



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Progetto LES Sceneggiatura energia 1 ver. marzo 2002

Energia, conservazione e dissipazione




Introduzione

Il concetto di energia è uno dei più importanti concetti in fisica - secondo alcuni il più importante - ed è alla base di tutte le discipline scientifiche. Con l’energia abbiamo a che fare tutti giorni: la ritroviamo nel cibo, nei combustibili per il movimento, per il riscaldamento, ecc. Sulla Terra tutte le forme di energia disponibili sono in ultima analisi riconducibili all’energia solare.

L’energia interviene in tutti gli aspetti della vita sociale e i consumi energetici sono indice dello sviluppo di un paese. I consumi energetici sono elevati nei paesi sviluppati, il divario con i paesi poveri aumenta e intanto sembra improbabile che il nostro Pianeta possa, con le attuali tecnologie, sopportare consumi più elevati. Il dibattito sulle tecnologie per trasformare e accumulare energia è sempre attuale, un’introduzione che fa riferimento ad aspetti più generali con esempi tratti dall’esperienza quotidiana nei quali i ragazzi sono coinvolti, con i loro “consumi” in bilanci energetici che riguardano la comunità in cui vivono può aiutare ad affrontare i concetti di conservazione, trasformazione, degrado, ecc.
Su queste tematiche c'è molto materiale in rete, ad esempio: http://www.legambiente.com/
Nonostante l’importanza il concetto di energia è relativamente nuovo. Secondo alcune ricostruzioni semplificate, la conservazione dell’energia - sarebbe già implicita nella meccanica newtoniana - si sarebbe arrivati ad essa in modo quasi naturale grazie ai successivi lavori, in termodinamica, di Joule, Carnot, Clausius, ecc. Una ricostruzione più attenta mostra che la conservazione dell’energia è piuttosto legata ad un percorso travagliato che ha coinvolto in polemiche anche aspre i maggiori protagonisti della fisica del Settecento e dell’Ottocento da Descartes, a Leibniz, a Voltaire,…e che tali polemiche vertevano su questioni filosofiche e sui fondamenti della meccanica. I concetti di energia e di lavoro legati ai concetti di prestazione, valore di scambio, rendimento, ecc. maturano nell’ambito dello sviluppo delle macchine e delle grandi trasformazioni economiche e sociali della Rivoluzione industriale e va via via definendosi in fisica coinvolgendo poi i maggiori protagonisti della fisica moderna.

A dispetto del largo uso che si fa del termine la discussione sul concetto di energia è d’interesse per scienziati e divulgatori tanto da far dire a Feymann “ …il concetto è astratto, poiché si tratta di un principio matematico; esso afferma che esiste una quantità numerica che non cambia qualsiasi cosa accada. Non è la descrizione di un meccanismo o di un fenomeno concreto, è soltanto il fatto di poter calcolare un numero e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo per ottenere sempre lo stesso risultato…è importante tener presente che nella fisica odierna, noi non abbiamo cognizione di ciò che l’energia è. Non abbiamo un modello che esprima l’energia come somma di termini definiti. …Si tratta di un’astrazione in quanto non c’insegna il meccanismo o i motivi delle varia formule” .


Per coinvolgere i ragazzi nella discussione sul modo di guardare "per conservazione" può essere utile illustrare l'esempio di Feymann "Dennis la peste" in Fisica (4-1) Che cosa è l'energia? Zanichelli

L’energia non è una cosa, non è una sostanza e benché sia presente in oggetti, luoghi, esseri animati, ecc. riusciamo a percepirla e a misurarla solo quando, in interazioni tra sistemi, l’energia stessa si converte o assume un’altra forma.

Nello sviluppo del percorso ci si sofferma sull’energia meccanica per la formalizzazione matematica ma fin dall’inizio, senza perdere la concatenazione logica degli argomenti, è importante coinvolgere gli studenti nella trattazione di una fenomenologia più ampia e nella costruzione più generale del concetto di energia anche attraverso una breve ricerca di carattere storico.

La meccanica svolge un ruolo fondamentale nell’aiutare a ragionare, più in generale, in termini di energia. Il concetto è astratto ma le grandezze che si introducono sono legate a grandezze che si percepiscono: massa, allungamenti, distanze, velocità, ecc. Così sia dal punto di vista matematico (relazioni con quantità che si conservano), sia dal punto di vista della tecnologia (potenza e rendimento di macchine semplici) si ha la possibilità di rievocare concetti in parte noti che risulteranno poi utili, anche per analogie meccaniche, in altri ambiti della fisica.


Le raccomandazioni per lo svolgimento degli argomenti trattati in meccanica sono schematicamente:

  1. non dare la sensazione che il punto di vista dell’energia risulti in qualche modo alternativo a quello delle forze. Un utile esercizio può consistere nel trattare in modo completo soluzioni con approcci diversi studiando nel dettaglio le correlazioni. L’analisi dei grafici temporali dell’energia può aiutare in tal senso;

  2. far definire i sistemi interagenti caratterizzandoli in base a proprietà e a convenzioni;

  3. far attenzione ad evidenziare come lavorare con l’energia quando invece di avere a che fare con punti materiali si passa a corpi estesi (rigidi o deformabili) che possono ruotare e/o deformarsi.


Il concetto di energia non è uno di quelli primitivi e intuitivi per cui gli studenti incontrano questo aspetto della fisica senza preconcetti ragionevoli e profondamente radicati basati sull'esperienza quotidiana, come succede nella dinamica elementare. La maggior parte degli studenti arriva, di fronte a questo aspetto della fisica, in una situazione di tabula rasa e i fraintendimenti che essi acquisiscono derivano proprio dalla maniera in cui questo concetto viene loro presentato. Di conseguenza prima di iniziare un percorso didattico riguardante l'energia diventa importante tenere presente ciò. Arons, Guida All’insegnamento della fisica, Zanichelli


  1. L'energia nell'esperienza di vita quotidiana. Elaborazione della scheda e discussione collettiva

Nella parte iniziale dell'attività i ragazzi rispondono alla prima parte della scheda-studente che è stata loro distribuita. Le risposte dei ragazzi servono per instaurare una discussione che mira ad evidenziare come l'esperienza di vita quotidiana sia organizzata in termini di "energia". Inoltre, la varietà delle risposte dei ragazzi permette di indagare sulle idee che essi hanno dell'energia. Da una analisi delle risposte più frequenti emerge che molto spesso i ragazzi tendono a identificare l'energia con il calore (Utilizzo l'energia solare per riscaldare l'acqua…. il ferro è un buon conduttore di energia) o identificano l'energia termica con il calore ( il calore è anche detto energia termica) e talvolta trattano l'energia come una forza (ho dovuto applicare energia per spostare il mobile).


La discussione iniziale mira a far capire ai ragazzi che occorre costruire nuovi concetti e termini con un vocabolario condiviso che ci permetterà di introdurre un nuovo modo di guardare ai fenomeni che può risultare a volte più comodo, a volte complementare ad altri e altre volte addirittura indispensabile. Infatti, in alcuni casi, i tentativi di interpretare dei fenomeni secondo i criteri che già si utilizzano possono fallire o per eccessiva complessità o per vera e propria insufficienza dello strumento formale.
L'energia, aspetti sociali (economici, politici ambientali)

Nella discussione iniziale si introduce il problema dell'energia nella società (perché si è creato questo problema? Cosa si può fare per risolverlo?) offrendo ai ragazzi degli imput che permettono di affrontare uno studio per saperne di più e che permettono di definire strategie di risoluzione.


Spunti
Quanta energia in totale si consuma in Italia? Come coprire questo fabbisogno?

Esame delle varie fonti d'energia: quantità attualmente utilizzata in Italia ed in Europa; provenienza e proprietà della fonte; costo della fonte e degli impianti; impatto sull'ambiente.

Uso efficiente dell'energia

Il dato su quanta energia si consuma in Italia è equivalente a quanta energia occorre in Italia?

Stima dei consumi elettrici obbligati in Italia e confronto con i consumi elettrici effettivi.

Legami tra energia e rifiuti, energia e trasporti, energia e agricoltura, energia e pubblicità, energia e consumismo, energia e occupazione ecc.

Le ipotesi di intervento


  1. soluzioni tecnologiche, politiche e culturali

  2. soluzioni a breve, medio e lungo termine

Studio degli interventi per risparmiare energia ( razionalizzazione dell'uso delle fonti sulla base degli usi finali; miglioramento dell'efficienza delle macchine e dei processi; interventi nel settore dei trasporti; interventi in agricoltura; marchi di qualità per apparecchiature a basso consumo energetico; tariffe elettriche articolate per fasce orarie e per fasce di consumo ecc.).


Impegno personale

  1. Impegno politico

  2. Cambiare alcuni comportamenti

Questa prima parte serve ad inquadrare il tema facendo emergere alcuni aspetti. Una attività di approfondimento può essere sviluppata "vistando" in rete la mostra


"Il valore dell'uso. Energia e civiltà compatibile” Mostra di Futuro Remoto ’91

Responsabile scientifico Vittorio Silvestrini


  1. Esperimenti introduttivi in grande gruppo

In grande gruppo si incomincia a costruire il concetto di energia attraverso l'interpretazione di diversi esperimenti che vengono realizzati dall'insegnante. Mediante l’illustrazione di queste fenomenologie si costruisce insieme ai ragazzi l’idea di un'energia associata al movimento (energia cinetica) e l’idea di un'energia immagazzinata (energia potenziale); queste forme d’energia possono trasferirsi e trasformarsi sotto il vincolo di una conservazione dell’energia totale.


Nella presentazione delle fenomenologie si evidenziano gli aspetti di conservazione, trasferimento, dissipazione, qualità legata alla possibilità di convertire senza grandi perdite…
Nell'insegnare a descrivere i fenomeni che si osservano in modo ancora qualitativo ma nella loro globalità si cercherà di coinvolgere i ragazzi mettendo in evidenza alcune strategie che sono tipiche dell'indagine scientifica: lo sforzo di cogliere dall’osservazione della realtà regolarità, ripetibilità, simmetrie, invarianze, conservazioni, ecc. nel tentativo di fissare alcuni criteri generali che descrivano il comportamento di fenomeni anche complessi.

In assenza di tali criteri i fenomeni naturali apparirebbero assolutamente incomprensibili e sfuggirebbero alla possibilità di essere descritti. In ogni cambiamento che ha luogo ricerchiamo qualcosa che si conserva: il valore di una grandezza, la forma di una figura geometrica o di una traiettoria, ecc.
Esperimento n° 1 Urti centrali tra bocce sul pavimento
Nella presentazione che segue adotteremo questa convenzione: la boccia inizialmente in quiete viene chiamata bersaglio e l'altra inizialmente in moto viene chiamata proiettile
I caso: masse uguali

Il bersaglio ed il proiettile hanno la stessa massa: il proiettile viene lanciato centralmente contro il bersaglio.

Si invitano i ragazzi a descrivere quello che accade dopo l'urto.

Si osserva che in seguito all'urto il proiettile si ferma e il bersaglio si allontana.

Si chiede ai ragazzi come si allontana il bersaglio. Si ripete l'esperimento al variare del modulo della velocità del proiettile e si guida nel rendere plausibile il fatto che il bersaglio tende ad allontanarsi con la velocità iniziale del proiettile.

Si conclude che nell'urto il bersaglio acquista (quasi tutta) la velocità del proiettile. La discussione su come misurare le velocità è ovviamente importante.


III caso: massa proiettile maggiore

Il bersaglio ha una massa molto minore della massa del proiettile: il proiettile viene lanciato contro il bersaglio.

Si osserva che in seguito all'urto il proiettile procede indisturbato ed il bersaglio acquista una velocità maggiore di quella del proiettile.
II caso: massa bersaglio maggiore

Il bersaglio ha una massa maggiore della massa del proiettile: il proiettile viene lanciato contro il bersaglio. Si osserva che in seguito all'urto il proiettile rimbalza con una velocità che ha verso opposto a quello iniziale ed il bersaglio tende a muoversi con velocità con intensità minore. All'aumentare della massa del bersaglio (rispetto a quella del proiettile) fino a lanciare il proiettile contro la parete (perpendicolarmente) il proiettile rimbalza prendendo nel caso limite (urto elastico che sarà poi analizzato tutta la velocità che aveva prima dell'urto.


Nei tre casi si fa riflettere sul tipo d'urto analizzato: l'urto è tale che le due bocce urtandosi non si deformano plasticamente, non vanno in frantumi, non si attaccano l'uno all'altro. Tuttavia si portano i ragazzi a riflettere su ciò che possiamo immaginare e che pure non riusciamo a vedere direttamente (riscaldamento delle bocce)… si fa riflettere sull'onda sonora prodotta nell'urto…
Con l'osservazione di questa fenomenologia comincia a costruirsi l'idea che siamo alla ricerca di una grandezza il cui valore è lo stesso prima e dopo l'urto.
Nel primo caso questa grandezza (mv, mv2, mv3, m2v2….) si trasferisce dal proiettile al bersaglio. Negli altri casi si vede che questa grandezza dipende dalla massa e dalla velocità. E prima ancora di costruire una definizione (equazione) occorre lavorare sulle relazioni d'ordine nei 3 casi:

all'aumentare della massa del proiettile e/o del bersaglio, all'aumentare del rapporto tra le masse, al variare della velocità del proiettile….. poi si cerca di coinvolgere i ragazzi nella discussione sulla definizione della grandezza (sulle potenze di m e v e su eventuali fattori moltiplicativi…


L'esperienza serve ad introdurre un modo di guardare e anche se i ragazzi conoscono l'espressione dell'energia cinetica occorre insistere sulla necessità di poter accettare come plausibile quella espressione.
Spunti - Inquadramento storico

Nel 1666, alcuni membri della Royal Society di Londra, durante una riunione assistettero ad un esperimento.

Due pesanti sfere di legno duro di uguale grandezza furono sospese ciascuna all'estremità di una corda formando due pendoli. Lasciandone cadere una da una certa altezza, essa urtava l'altra, che era inizialmente ferma.

Dopo l'urto, la prima sfera rimaneva praticamente ferma, mentre la seconda raggiungeva quasi la stessa altezza da cui era partita la prima. Quando la seconda sfera ricadeva, urtava la prima e si fermava di nuovo, mentre la prima risaliva nuovamente fin quasi all'altezza di partenza. In questo modo il moto continuava avanti e indietro per molte oscillazioni.

Questo esperimento destò un grande interesse tra i membri della Royal Society e negli anni che seguirono diede anche origine a vivaci e spesso confuse discussioni. Perché le sfere risalgono ogni volta quasi all'altezza di partenza? Perché il moto viene trasferito ogni volta da una sfera all'altra quando esse si urtano? Perché la prima sfera non rimbalza indietro o non continua a muoversi lentamente in avanti?

Nel 1668 il fisico tedesco Christiaan Huygens fece una analisi dettagliata dell'intero problema.

Huygens spiegò il comportamento dei due pendoli come dovuto non solo alla legge di conservazione della quantità di moto, ma anche ad un'altra legge di conservazione. Non solo è conservata la somma vettoriale dei prodotti m, ma lo è anche quella aritmetica mv2.

Sia Huygens, sia altri dopo di lui per circa un secolo, non usarono il fattore 1/2. La quantità mv2

era chiamata col termine latino vis viva (forza viva). Gli scienziati del Sei e Settecento spesso facevano distinzioni sottili fra vari tipi di forze dando loro un nome diverso. Usavano spesso la parola spinta (come nell'uso colloquiale moderno della parola forza), che qualche volta però significava anche "quantità di moto" o anche "energia". Attualmente, il termine vis viva non è più in uso.

Tornando al problema degli urti, Huygens fece notare che la quantità 1/2mv2 si conserva solo in urti perfettamente elastici, mentre nella maggior parte degli urti essa è sempre minore dopo l'urto. Nonostante ciò Leibniz era convinto che la quantità 1/2mv2 si conservasse sempre e per cercare di giustificare questa legge di conservazione, inventò una ingegnosa spiegazione per l'apparente perdita di vis viva. Riaffermò infatti che la vis viva non si perde e non si distrugge, ma viene "dissipata tra le piccole parti" di cui sono costituiti i corpi che si urtano. Questa teoria era puramente speculativa e Leibniz non ne diede nessuna conferma sperimentale, ma in realtà essa fu una anticipazione del legame esistente tra energia e moto delle molecole.

Leibniz estese le sue idee di conservazione a fenomeni fisici diversi dagli urti. Per esempio quando una pietra è lanciata in alto, la quantità 1/2mv2 diminuisce al salire della pietra, anche se non subisce alcun urto. All'estremità della traiettoria la quantità 1/2mv2 è momentaneamente zero e ridiventa positiva quando la pietra cade. Con molta lungimiranza Leibniz si chiese in che modo la "forza" impressa alla partenza fosse in qualche modo immagazzinata, invece di essere persa .

L'idea che la quantità 1/2mv2 sia solo una parte di una più generale che si conserva condurrà alla legge di conservazione dell'energia.


Studio della fenomenologia con Interactive Physics

Le figure che seguono si riferiscono agli esempi di Interactive Physics che abbiamo predisposto. L'insegnante può modificare la configurazione degli esempi. Nelle figure si suggerisce una delle possibili strategie: si studia la fenomenologia dei tre casi osservati sperimentalmente, si chiede ai ragazzi di lavorare variando masse e velocità e poi si può chiedere di ricavare e giustificare la formula con cui sono calcolati i valori numerici che appaiono insieme all'animazione.








Fig. Esempi di urti centrali elastici con Interactive Physics. Sono presentati i tre casi studiati sperimentalmente. La boccia grigia di sinistra (proiettile) va ad urtare la boccia rossa ferma a destra. Le velocità possono essere "misurate" valutando la distanza tra i centri dei cerchi così come si fa con le foto stroboscopiche. Nelle finestre numeriche sono calcolate le energie cinetiche della prima sfera, della seconda e quella totale.
Un approfondimento con Excel

Nell’esperienza che è stata realizzata gioca un ruolo fondamentale il rapporto tra le due masse. Indicando con v le velocità prima dell’urto e con V quelle dopo l’urto le V si ricavano, nel caso di urto centrale elastico, risolvendo un sistema di due equazioni che esprimono la conservazione della quantità di moto e la conservazione dell’energia cinetica. Nel caso in cui il bersaglio è fermo (v2=0), le velocità finali del proiettile e del bersaglio sono rispettivamente:

V1= v1 (m1-m2)/(m1+m2); V2=v1 2m1/(m1+m2);

Con un foglio excel si può studiare il fenomeno variando il rapporto tra le masse così come nella tabella che segue. Lo studio della tabella nella quale le velocità finali sono state calcolate con le formule su indicate permette di fare alcune interessanti osservazioni che in questa fase di studio qualitativo del percorso possono essere utile all’insegnante per gestire e guidare la fenomenologia:

fin quando m1< m2 V1 è negativa (il proiettile rimbalza e torna indietro). All’aumentare della massa del bersaglio il proiettile tende a tornare indietro con una velocità in modulo che tende al valore iniziale se m1= m2 V1= 0 e V2 =v1

se m2>m1 il proiettile e il bersaglio si muovono nello stesso verso (al diminuire della massa del bersaglio il proiettile tende a mantenere la velocità prima dell’urto….




m1

m2

m1/m2

v1

v2

0,5*m1*v1^2

V1

V2

0,5*m2*V2^2

KE2/KE1

1

9

0,111

1

0

0,5

-0,8

0,2

0,180

0,360

2

8

0,250







1

-0,6

0,4

0,640

0,640

3

7

0,429







1,5

-0,4

0,6

1,260

0,840

4

6

0,667







2

-0,2

0,8

1,920

0,960

5

5

1







2,5

0

1

2,5

1

6

4

1,500







3

0,2

1,2

2,880

0,960

7

3

2,333







3,5

0,4

1,4

2,940

0,840

8

2

4,000







4

0,6

1,6

2,560

0,640

9

1

9,000







4,5

0,8

1,8

1,620

0,360

I

l trasferimento di energia nell’urto elastico avviene con il vincolo di conservazione dell’energia cinetica e può essere interessante studiare come essa si ripartisce in funzione del rapporto tra le due masse. Così il calcolo dell’energia cinetica “guadagnata” dal bersaglio dopo l’urto (penultima colonna) permette di vedere che in questo esempio (con queste condizioni inziali) il guadagno è massimo per un proiettile che ha massa quasi doppia del bersaglio. Ma la conclusione più interessante e generale è quella che viene dall’analisi dell’ultima colonna: il rapporto tra l’energia cinetica “in uscita” e quella “in entrata”, cioè il rendimento della macchina-urto è massimo (pari a 1) quando le due masse sono uguali. E’ una conclusione alla quale si può giungere semplicemente constatando che in questo caso il proiettile si ferma nell’urto e che tutta la sua energia si trasferisce, sotto il vincolo della conservazione, al bersaglio. Ma dal punto di vista del modello matematico è un risultato di grande interesse perché permette di generalizzare questa conclusione a fenomeni anche molto diversi: massima potenza elettrica trasferita da un generatore a un utilizzatore quando le resistenza interna è uguale a quella interna.Un utile esercizio per gli studenti può essere il calcolo del rapporto delle due energie 4m1m2/ (m1+m2)^2 che è pari a 1 solo se m1=m2

Fig. Grafici Excel:a)dell’energia del bersaglio dopo l’urto (penultima colonna della tabella) in funzione del rapporto massa proiettile/ massa bersaglio (terza colonna); b) del rapporto tra l’energia finale del bersaglio in funzione dela rapporto tra le masse
Esperimento n° 2 Pendolo multiplo.


Le esperienze con questo insieme di pendoli bifilari (di masse uguali) sono molteplici e permettono di descrivere fenomeni anche relativamente complessi.

Si sposta una sferetta e la si lascia cadere. Si ripete spostando due sferette, tre sferette…..

Si cambia la quota da cui si lascia cadere la sferetta o un gruppo di sferette….

Si lancia una sfera con velocità iniziale non nulla…

Si osserva cosa accade in tempi brevi e si cerca di descrivere il moto del sistema quando tende a fermarsi.

La descrizione a parole dell’insieme dei fenomeni che si osservano evidenziano regole che sono facilmente riconoscibili e che permettono di insegnare e imparare a ragionare in termini di energia di movimento, energia legata alla posizione (altezza), conservazione, trasferimento e dissipazione dell’energia meccanica.

Abbandonando da una altezza h (rispetto alla quota della posizione di equilibrio) una sferetta con velocità iniziale nulla accade che nell’urto la sferetta si ferma e l’energia di movimento si trasmette attraverso la catena di sferette fino a mettere in movimento l’ultima sferetta che raggiunge quasi la stessa quota della prima sferetta, poi torna indietro e…. Abbandonando due sferette si solleveranno dall’altra parte due sferette che raggiungono quasi la stessa quota….

La dissipazione di energia meccanica negli urti e il lavoro delle forze di attrito fanno sì che l’altezza e le velocità tendono a diminuire (diminuzione dell’energia potenziale e dell’energia cinetica) e nelle fasi finali le sferette oscillano accostate fino a fermarsi definitivamente.
In assenza di un meccanismo che compensi le forze di attrito e le perdite nell’urto il sistema tende a fermarsi.

Esperimento n 3 Moto di una palla lungo profili di forma diversa

Si fa rotolare su una pista ondulata con poco attrito una palla dura e pesante (risultano molto utili per questa esperienza le canalette che si usano per gli impianti elettrici). La forma della pista può essere variata in modo arbitrario includendo gobbe, tratti più o meno ripidi ecc.

Si mettono in evidenza alcune caratteristiche invarianti del moto: il punto di arresto è ad una quota appena più bassa di quella di partenza, quasi indipendentemente dalla lunghezza del percorso ed in ogni caso indipendentemente dalle sue accidentalità intermedie; più la palla parte da una quota bassa più va veloce e viceversa indipendentemente dalla storia del percorso precedente…
Esperimento n° 4 Torcia a mano



Si analizza il funzionamento della torcia dapprima identificando i sistemi che interagiscono e di seguito evidenziando trasferimenti e trasformazioni legati all'interazione tra questi sistemi.

La torcia a mano di cui si dispone è tale da avere un involucro trasparente che permette di osservare i componenti: un apparato a molla, una ruota ad ingranaggi per far ruotare un magnete a forma di disco, si tratta di una dinamo. La rotazione del magnete genera un variazione del campo magnetico, variazione che induce una corrente nelle due bobine che sono poste ai lati del magnete.

La corrente elettrica indotta accende la lampadina.

E
sperimento n° 5 Convertitore termoelettrico


Si immergono i due elettrodi del termoconvertitore in due recipienti con acqua a temperature diverse: si collegano i terminali del termoconvertitore ad una ventola e questa si mette in moto; si sostituisce alla ventola una lampadina e questa si accende. Si immergono i due elettrodi del termoconvertitore in un solo recipiente contenente acqua ad una determinata temperatura; si collegano i terminali alla lampadina e si osserva che la lampadina non si accende.Con l'energia elettrica prodotta dal termoconvertitore si alimenta un motorino elettrico che

solleva un pesetto. Aumentando la differenza di temperatura si osserva che il motorino solleva il pesetto con una velocità maggiore. L'esperimento con il convertitore elettrico permette di cominciare ad introdurre l'idea che una trasformazione di calore in lavoro non può avvenire con una sorgente ad una sola temperatura. Inoltre permette di analizzare aspetti essenziali nella “produzione” di energia elettrica.


Questa esperienza, qualitativa in questa fase, permette di introdurre osservazioni e concetti legati al II Principio della termodinamica e per familiarizzare con schemi che descrivono processi e catene legate alla “produzione” di energia.
E
sperimento n° 6 Martellate sulla termocoppia

L'esperimento consiste nel vedere come un aumento di temperatura (energia interna) possa essere prodotto sia con una sorgente di calore (una fiamma) sia con un lavoro meccanico.

L'inserimento dell'esperimento, in questa fase iniziale del percorso di energia, intende rendere plausibile l'idea che in seguito ad urti, sfregamenti, … c'è un aumento di temperatura dei sistemi interagenti anche se non sempre ciò è immediatamente misurabile.

I grafici della scheda studente sono stati realizzati con una termocoppia1 collegata tramite interfaccia ad un calcolatore. Con l’ausilio di un software, è possibili rivelare, in tempo reale, la d.d.p. (o la temperatura) in funzione del tempo. Con lo stesso software è possibile utilizzare delle procedure di taratura coinvolgendo gli studenti nella discussione sulle conversioni che si utilizzano.


L’esperienza permette di introdurre, seppure in modo qualitativo, le idee base legate al I principio: la temperatura (l’energia interna) di un sistema può variare sia con scambi di calore sia con scambi di lavoro.

Dopo la carrelata di esperimenti, inizia una discussione che evidenzia le caratteristiche esaminate attraverso gli esempi dell'energia.

L'energia gode di alcune caratteristiche importanti:


  1. può assumere forme diverse,

  2. può passare da un corpo all'altro,

  3. può trasformarsi da una forma all'altra,

  4. può essere "immagazzinata",

  5. passando o trasformandosi fa "cose utili",

  6. passando o trasformandosi si conserva,

  7. di conseguenza l'energia non si può creare né distruggere,

  8. tuttavia ci sono forme di energia più utili di altre,

  9. di conseguenza ci sono dei "costi energetici", legati al fatto che "costa" avere a disposizione energia in forma utilizzabile


6. Rimbalzo di palle e palline
L’esperienza è introdotta presentando una gran varietà di urti di palle e palline diverse che cadono lungo la verticale e urtano contro “pavimenti” diversi ad esempio:
un pallone da calcio che rimbalza sul pavimento

una palla di spugna contro il pavimento e contro il piano della scrivania

un pallina da ping contro il pavimento e contro il piano della scrivania

un palloncino gonfiato contro il pavimento, contro la sabbia

una sferetta di acciaio contro il pavimento, contro la sabbia, contro una spessa lastra di vetro

una pallina di gomma piena contro il pavimento

una pallina di neoprene contro il pavimento

………..
dall’osservazione di una fenomenologia così ricca e con un’attenta gestione delle regole che emergono si evidenzia che


la modalità del rimbalzo dipende dai due sistemi che interagiscono nell’urto (la pallina da ping-pong rimbalza con una quota maggiore sulla tavola di legno che non sul pavimento, al contrario della pallina di gomma piena… sulla sabbia palle e palloni gonfiati rimbalzano senza affossarsi…)
la quota raggiunta dopo un urto dipende dalla velocità iniziale (una palla di gomma piena può raggiungere dopo l’urto una quota maggiore di quella iniziale)
la quota raggiunta dopo l’urto dipende dall’elasticità e dalla velocità con cui la palla urta contro il pavimento: un pallone gonfiato perde velocità durante la discesa in modo evidente

Alla fine si organizza l’esperimento in piccolo gruppo descritto della scheda studente.

Nelle pagine che seguono sono presentate tabelle, grafici excel e curve di interpolazione (con Origin) con dati relativi ad esperimenti realizzati con palline e “pavimenti” diversi e simulazioni-animazioni realizzate con Interactive Physics



n

h(cm)

sperimentale

hi+1-hi

(cm)


hi+1 / hi

h(cm)

hi=hi-1*0,85

modello


0

100







100

1

81

19

0,81

85

2

68

13

0,84

72

3

59

9

0,87

61

4

50

9

0,85

52

5

44

6

0,88

44

6

38

6

0,86

38

7










32

8










27

9










23

10










20

media 0,85






n

h(cm)

sperimentale



hi+1-hi

(cm)


hi+1 / hi

h(cm)

hi=hi-1*0,73



modello


0

100







100

1

69

31

0,69

73

2

52

17

0,75

53

3

39

13

0,75

39

4

28

11

0,72

28

5

21

7

0,76

21

6










15

7










11

8










8

9










6

10










4















media 0,73







n

h(cm)

sperimentale

hi+1-hi

(cm)


hi+1 / hi

h(cm)

hi=hi-1*0,85

modello


0

100







100

1

92

8

0,92

90

2

81

11

0,88

81

3

73

8

0,90

73

4

64

9

0,88

66

5

57

7

0,89

59

6

50

7

0,88

53

7

45

5

0,90

48

8

41

4

0,91

43

9

36

5

0,88

39

10

33

3

0,92

35

m
edia 0,90











1 Una giunzione tra due metalli differenti genera un basso voltaggio; questa giunzione è chiamata termocoppia ed è usata per misurare temperature su un ampio range. In un tipico circuito di una termocoppia sono presenti due giunzioni, ciascuna ottenuta fondendo due metalli differenti (ad esempio ferro-costantana) . Le due giunzioni vengono definite giunzione di riferimento e giunzione sensibile. La differenza di potenziale è con buona approssimazione proporzionale alla differenza tra le temperature delle due giunzioni. Dopo l’operazione di taratura la termocoppia può essere usata come termometro..





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