UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FERRARA CORSO ABILITANTE PER

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FERRARA CORSO ABILITANTE PER L’INSEGNAMENTO SECONDARIO CLASSE A 059 Dissertazione della tesi L’elettricita’ Corsista Dott. Egidio Barbone Tutor Dott. ssa Paola Sgarzi Relatore Prof. ssa Paola De Chiara

Questa unità didattica è rivolta a studenti di una terza classe Il percorso didattico trattato in questa progettazione trova una sua collocazione sia nei Programmi della Scuola Media (D. M. 9 febbraio 1979), sia nelle Indicazioni nazionali per i Piani di studio personalizzati nella Scuola Secondaria di 1° grado. Importanza dell’aspetto storico epistemologico Nei programmi Ministeriali del 1979 si legge: " l'insegnante di scienze avvierà l'alunno ad una prima riflessione sulla dimensione storica della scienza, presentando con esempi significativi sia le linee di sviluppo della scienza dal suo interno sia la stretta correlazione esistente tra l'evoluzione scientifica e quella della condizione umana ". Il termine elettricità deriva dalla parola greca élektron che significa ambra. Alcuni scienziati , fra cui Franklin , famoso per l’invenzione del parafulmine, costruirono macchine che consentivano di ottenere fenomeni elettrici di maggiore entità rispetto a quelli ottenuti per strofinio. Ciò permise di scoprire che , in particolari condizioni, l’elettricità di un corpo si manifesta con scintille e crepitii e definirono il fenomeno della “scarica elettrica” Galvani che in modo del tutto casuale scoprì che il muscolo della rana morta, se toccato con due bacchette di metalli diversi, si contraeva e si convinse che fosse dovuto all’elettricità dell’animale Volta che non convinto delle spiegazioni di Galvani ripetè l’esperimento riuscendo a dimostrare che la scarica elettrica era provocata dalla presenza dei due metalli diversi. Grazie a queste osservazioni , riuscì a costruire la pila. Volta ottenne riconoscimenti in tutto il mondo , tanto che Napoleone Bonaparte volle conoscere il rivoluzionario apparecchio e il suo funzionamento. Le applicazioni dell'energia elettrica, sospinte dalla tecnologia sempre più avanzata e sofisticata, si sono sviluppate, perfezionate e diffuse in tutto il mondo.

Esperimento da fare in classe LA PILA DI VOLTA Nel suo famoso esperimento del 1800, Alessandro Volta realizzò la prima pila alternando uno sopra l'altro una serie di dischetti di zinco e di rame, che erano separati da un feltro acidulato, cioè imbevuto di una soluzione di acido solforico. Un filo conduttore collegava il primo disco di zinco con l'ultimo di rame permettendo il passaggio della corrente. Dal momento che la pila funziona ugualmente anche con un elettrolita differente, potremo in classe costruire una pila a limoni e mostreremo come collegando i limoni in serie si è in grado di accendere la lampadina. Per eseguire l’esperimento occorrono dei limoni con molto sugo, 5 monete da 10 centesimi, (lega alluminio zinco, 5 monete da 5 centesimi (rame), una piccola lampadina (led), un voltometro digitale, cavi elettrici.

COLLEGAMENTI PLURIDISCIPLINARI MATEMATICA LA PROPORZIONALITA’, LA LOGICA DELLE PROPOSZIONI EDUCAZIONE ALLA SALUTE ELETTRICITA’ SICURA, IL PACEMAKER GEOGRAFIA ECONOMIA ED ENERGIA Elettricita’ EDUCAZIONE AMBIENTALE STORIA LE SCOPERTE SULL’ELETTRICITA’ L’INQUINAMENTO, IL RISPARMIO ENERGETICO TECNOLOGIA LE CENTRALI ELETTRICHE

Modello didattico di corrente Il circuito idraulico è il paragone utile per spiegare gli aspetti locali del funzionamento del circuito, quali la caduta di potenziale attraverso una resistenza o come si suddivide la corrente fra due condotti in parallelo. Nel modello le differenze di quota rappresentano una buona analogia per le differenze di potenziale. Il fluire del liquido è un buon analogo materiale (e perciò un modello) per la corrente elettrica e il concetto di pressione se ben compreso rende molto utile l'utilità del modello. Bisogna sottolineare che anche questo modello, però, presenta di difetti, come indicato nell’analisi dei testi.

I circuiti in serie e in parallelo Perché la corrente elettrica possa essere utilizzata, va fatta passare in un circuito elettrico, il più semplice dei quali è costituito da un generatore di corrente, un conduttore, un utilizzatore e un inter ruttore. A volte è necessario inserire in un circuito più utilizzatori, ad esempio due o più lampadine; questo inserimento può avvenire in due modi, detti rispettivamente collegamento in serie e collegamento in parallelo.

Consideriamo ora conduttori in cui varia la lunghezza del filo, la sezione del filo, il materiale di cui è costituito il filo conduttore Per dimostrare che non tutti i materiali conducono la corrente elettrica allo stesso modo si può preparare un circuito aperto, e proviamo a chiuderlo utilizzando oggetti di materiali diversi: una moneta, un fermaglio d'acciaio, uno stecchino di legno, un bicchiere di vetro, un foglio di alluminio, una gomma, un filo di lana e così via.

Che cosa succede al variare della differenza di potenziale? Osservazioni analoghe a quelle che abbiamo appena fatto furono con dotte dal fisico Georg Simon Ohm. Egli, sperimentalmente, attraverso accurate misure delle variazioni che intervenivano nei vari circuiti, riuscì a dimostrare e a enunciare due leggi importanti che prendono il suo nome. Prima legge di Ohm L'intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale elettrico e inversamente proporzionale alla resistenza Seconda legge di Ohm La resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza, inversamente proporzionale alla sua sezione e di pende dal materiale di cui esso è fatto

La maggior parte degli studenti alle prime armi ha poche idee, o nessuna, riguardo la struttura della lampadina. In questi casi, è utile rompere l’involucro di vetro a fare in modo che essi esaminino attentamente la struttura. • • • L’ uso di questo metallo dipende dalla sua capacità di sopportare temperature molto elevate (2000 °C) senza fondere. Il funzionamento di una lampadina è abbastanza semplice. Quando essa viene collegata a un circuito, la corrente attraversa il filamento di tungsteno e questo si riscalda, per l'effetto Joule, fino a diventare incandescente. A questo punto inizia a emettere luce. Questo significa che una lampadina non è molto efficiente, perché una parte dell'energia elettrica va perduta in calore. All'interno del bulbo delle lampadine viene tolta l'aria e vengono immessi gas inerti (gas che non reagiscono chimicamente) per evitare che il tungsteno bruci combinandosi con l'ossigeno dell'aria. Con questa sostituzione la temperatura del tungsteno può raggiungere i 3000 °C. Il tungsteno, a temperature così elevate, subisce una lenta sublimazione, cioè passa dallo stato solido a quello gassoso. Per questo motivo, dopo un certo numero di ore d'uso, il filamento di tungsteno si assottiglia fino a spezzarsi e la corrente non può più passare: si dice che la lampadina è fulminata.

Rappresentazione grafica di grandezze direttamente proporzionali (rappresentazioni grafiche della prima legge di Ohm) Se nello stesso conduttore, che ha una resistenza di 10 ohm, si misurano successi vamente intensità di corrente di 1, 2, 3, 4, 5 e 6 ampere, la differenza di potenziale applicata varia. Ricordando la formula V =R x I, indichiamo con x i valori varia bili dell'intensità di corrente e con y i corrispondenti valori di differenza di potenziale. Possia mo scrivere la relazione y = 10 x compilare una tabella e rappre sentare graficamente la relazio ne sul piano cartesiano.

Applicando sempre la stessa differenza di potenziale di 120 volt a diversi conduttori, con resistenza di 5, 10, 20, 30, 40, 50 e 60 ohm, l'intensità di corrente varia. Ricordando la formula I= V / R, indichiamo con x i valori variabili della resistenza e con y i corrispondenti valori dell'inten sità di corrente. Possiamo scri vere la relazione y = 120 / x, compilare una tabella e rap presentarla graficamente sul piano cartesiano Resistenza e intensità di corrente sono inversamente proporzionali; il grafico è un ramo di iperbole

Lavorando con ragazzi prima che vengano esposti a una istruzione formale sull'elettricità, si incontra di solito una descrizione dei circuiti elettrici estremamente semplice, poco differenziata : qualcosa proviene dalla batteria o presa elettrica, in qualche modo viaggia lungo i fili elettrici e viene usata (e consumata) dall'altra parte; questo qualcosa (la cui descrizione si adatta bene al concetto fisico di energia) viene genericamente e indifferentemente chiamato con uno qualsiasi dei termini elettricità /voltaggio / corrente / potenza / tensione / energia; questi termini vengono usati in modo intercambiabile e non di rado ne appare più d'uno in un'unica frase, dimostrando che essi sono intesi come sinonimi. Il meccanismo di funzionamento del circuito è invece all'inizio molto vago, ciò che si riflette nella terminologia altrettanto vaga segnalata. Da analisi di oggetti a pila (giocattoli, torce, nascono le prime teorie ingenue; in questa fase iniziale si incontra il modello unipolare, secondo cui è sufficiente un solo filo collegato al polo "positivo" (suggestione della parola) che fa da condotto per portare l'energia dalla sorgente all'utilizzazione. Anche la costruzione asimmetrica sia delle lampadine che delle pile cilindriche favorisce e rinforza tacitamente questo modello: uno solo dei terminali ha una funzione palesemente elettrica, mentre l'altro è così evidentemente sostegno (della lampadina) o involu cro (per la pila).

Analisi dei testi Nei testi della scuola secondaria di primo grado l’elettricità tendono a essere trattate con troppa superficialità, le convenzionali esposizioni dei libri di testo basate sulla formulazione e l'applicazione della legge di Ohm. Trai i testi analizzati in pochi ho trovato riferimenti storici sull’elettricità (corso di scienze della Lattes ed esplorare le scienze della Capitello) , in questi testi si fa riferimento alla disputa Galvani – Volta. Molti libri di testo asseriscono che la corrente elettrica consiste in un flusso di elettroni. Alcuni testi non si preoccupano neppure di rendere chiaro che stanno parlando solo di conduzione nei metalli. Quando l'esistenza di una corrente di elettroni viene asserita nella maniera descritta prima, la maggior parte degli studenti finisce con l'avere l'idea completamente falsa che tutti i tipi di conduzione consistono in uno spostamento di elettroni e quindi di carica negativa. Uno dei pochi testi in cui si specifica che si sta parlando del caso della conduzione nei metalli è Scienze più , autori L. Leopardi, M. Gariboldi, della Garzanti scuola. Il circuito idraulico è il paragone trovato in tutti i libri di scienze della scuola secondaria di primo grado e riproposto nella parte di approfondimento disciplinare della tesi. Tra i libri presi in esame un solo testo ( Corso di scienze di Claudio Gori Giorgi della Zanichelli) cita quali sono i difetti di questo modello: “ Ad esempio, l’acqua che circola non può generare luce come la corrente quando passa nella lampadina. Inoltre, tra l’interruttore e il rubinetto c’è una differenza linguistica: interruttore chiuso vuol dire che la corrente passa, mentre rubinetto chiuso vuol dire che l’acqua non passa. Facendo attenzione a queste differenze, il paragone idraulico è molto utile. ”

Importanza del laboratorio • Un modo efficace per avviare i ragazzi al metodo scientifico è quello di sottoporli a domande alle quali tutti possono dare una risposta, anche se errata. Si tratta perciò di portare, anzitutto, i ragazzi a riflettere sulla realtà, a cominciare da quella con cui sono più direttamente a contatto. • L'attività sperimentale tipica è la seguente. Un'osservazione fa sorgere un problema. Il problema da origine ad una serie di ipotesi. Viene concepita e realizzata un'esperienza i cui risultati vengono registrati e poi discussi. Infine si trae una conclusione che viene confrontata con l'ipotesi. Quest'ultima viene confermata o meno. La presentazione di una sequenza sperimentale e i materiali da usare possono servire per abituare gli alunni a questo genere di attività. La lettura di una tabella di dati insegna il modo di registrare, di analizzare i risultati e poi di trame delle conclusioni. L'analisi di un testo a carattere storico che tratta, ad esempio, le tappe di un'esperienza, permette di avere una visione globale di un'attività sperimen tale. • • L'attività sperimentale costituisce inoltre uno strumento di valutazione delle attitudini dei ragazzi e sviluppa uno spirito critico, in quanto la discussione porta a rispettare le idee di ciascuno anche nel contraddirle , deve essere svolto utlizzando un linguaggio non formale ma rigoroso, inoltre queste attività sono anche un importante momento di socialiizzazione. Utile sarà, particolarmente per gli studenti che presentano difficoltà ad organizzarsi, fornire una scheda di osservazione per esperimenti, da consegnare agli allievi prima di ogni esperimento. La scheda sarà una guida sicura all’osservazione e alla comprensione dei fenomeni. Nella scheda comprende: • finalità dell’esperimento • materiali, sostanze, strumenti e dispositivi utilizzati • descrizione delle operazioni preliminari nell’esecuzione dell’esperimento, in ordine di tempo • descrizione dei fenomeni osservati, in ordine di tempo, per ogni operazione compiuta • spiegazione dei fenomeni osservati.

Difficoltà emerse nelle attività di laboratorio Alcuni studenti sviluppano una comprensione solida di ciò che accade in semplici circuiti percorsi da corrente continua e possono essere aiutati a rimediare a questa lacuna se viene data loro la possibilità di esercitarsi con il ragionamento qualitativo e in questo senso può essere di aiuto realizzare semplici configurazioni di batterie e lampadine. Nelle configurazioni qui di seguito rappresentate, quale/quali permette/permettono alla lampadina di accendersi? Difficoltà strettamente collegata alla mancanza di comprensione di cosa significhi “circuito completo”

Nel circuito elettrico in figura sono presenti due lampadine uguali collegate alla stessa batteria. Come sarà la loro luminosità? a) b) c) d) e) f) Uguale L 1 più luminosa di L 2 più luminosa di L 1 accesa, L 2 spenta L 2 accesa, L 1 spenta Non so rispondere Questo errore deriva dal background “familiare” degli studenti: e batterie «si scaricano» si «consuma» l'elettricità domestica; essi, quindi, credono che nei circuiti elettrici «qualcosa viene consumato» e, per molti di loro , la cosa più ragionevole da «consumare» è l' «elettricità» stessa.

Nei circuiti rappresentati qui di seguito tutte le batterie sono uguali e le lampadine sono uguali tra di loro. Mettere in ordine crescente di luminosità le 5 lampadine. La risposta corretta è A>D=E>B=C Benchè l’uso della legge di Ohm porta alla risposta corretta, questa non è necessaria, è sufficiente ragionare in termini qualitativi con un modello semplice in cui la luminosità della lampadina è in relazione alla corrente o alla differenza di potenziale.

Nel circuito in figura ci sono 4 lampadine uguali e una batteria ideale. 1) Se si apre l’interruttore vicino alla lampadina C, cosa succede alla luce di B? a) Rimane la stessa b) Aumenta c) Diminuisce d) Si spegne Mettere in ordine crescente di luminosità le 4 lampadine a interruttore chiuso. 1) poiché la resistenza complessiva del circuito aumenta, la corrente che attraversa A diminuisce e quindi risulterà meno luminosa. 2) A=D>B=C