Oscillazioni

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Oscillazioni
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Concetti 1) forza ed equilibrio
trasformazioni di energia moto periodico 2)
forza ed equilibrio trasformazioni di
energia moto periodico misure di
tempo 3) forza ed equilibrio trasformazioni
di energia periodo misure di tempo
Attività 1) Spostare dallequilibrio 2) Far
oscillare 3) Far oscillare
1) Lasinello acrobata 2) Il pendolo 3) La molla
D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento
di Fisica Sperimentale, Università di
Torino S.I.S. Indirizzo Scienze Naturali e
Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006
2007
Oscillazioni-1
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Oscillazioni
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Consegna tutto quello che si può fare con
pendoli, elastici e molle per osservare
loscillazione e misurare intervalli di tempo

• Forze ed energia in un moto oscillatorio
• un moto oscillatorio è causato da forze di
  richiamo verso una posizione di equilibrio,
• durante il moto lenergia si trasforma
  periodicamente da energia di moto a energia di
  posizione,
• tuttavia, trasformandosi, parte dellenergia si
  disperde a causa degli attriti e quindi
  loscillazione è smorzata,
• il moto è periodico, cioè il corpo ripassa a
  intervalli regolari di tempo per le stesse
  posizioni,
• il periodo delloscillazione dipende dalle
  caratteristiche del corpo e delle forze di
  richiamo e può essere utilizzato come unità di
  misura del tempo in un orologio,
• il tempo di smorzamento in cui si ricupera la
  posizione di equilibrio è caratteristico
  dellinterazione con lambiente circostante

• Misura del tempo
  
• è possibile definire una procedura che permetta
  di confrontare e ordinare il tempo in modo non
  ambiguo
• per misurare il tempo occorre definire una
  procedura di misura e trovare una unità di misura
  
• per la misura del tempo si utilizzano fenomeni in
  cui il tempo scorre in modo lineare oppure in
  modo ciclico
• i fenomeni in cui il tempo scorre in modo ciclico
  sono fenomeni periodici, nei quali tutto si
  ripete in modo identico a distanza di tempo di un
  periodo
• l'unità di misura del tempo nel SI è il secondo
  (simbolo s)

Oscillazioni-2
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Lasinello acrobata
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Oggetti un tappo di sughero, quattro fiammiferi,
un pezzo di cartone tagliato con la sagoma di una
testa di asino, un pezzo di fil di ferro a forma
di mezzo anello, un dado di bullone pesante,
cordino, contasecondi, righello.

• Attività
• Fissare al tappo di sughero la testa di
  cartone, i quattro fiammiferi (che saranno le
  zampe dellasinello) e il fil di ferro (che sarà
  la coda)
• normalmente lasinello ha bisogno di stare sulle
  quattro zampe per rimanere in equilibrio, ma, se
  si appende il dado allestremità del fil di ferro
  in modo che penda al di sotto dellasinello come
  in figura, esso rimarrà in equilibrio sulle sole
  zampe posteriori
• anche se si sposta l'asinello dalla posizione di
  equilibrio, dopo una breve oscillazione, vi farà
  ritorno!
• Osservare loscillazione, individuare le forze,
  in particolare individuare le forze di
  richiamo, indicandole con delle frecce con il
  corretto punto di applicazione
• misurare il periodo delloscillazione (misurare
  il tempo di 20 oscillazioni e dividere per 20)
• appendere il dado allanello attraverso un
  cordino lungo circa 20 cm e rimisurare il periodo
  delloscillazione
• individuare un criterio per valutare lo
  smorzamento delloscillazione e il tempo di
  smorzamento

• Concetti
• equilibrio e forza di richiamo verso la
  posizione di equilibrio,
• moto oscillatorio,
• periodo delloscillazione,
• smorzamento

Attacco (spunti e continuità) - la magia
delloscillazione e dellequilibrio

• Riferimenti
• G. Meraviglia La scienza in altalena Schede di
  giochi e scienza - Ed. Scienza, Trieste, 1999
• www.iapht.unito.it

• Aspetti didattici
• scoprire le forze di richiamo e la loro
  relazione con la posizione di equilibrio
• scoprire le caratteristiche delloscillazione, in
  particolare la periodicità

Oscillazioni-3a
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Lasinello acrobata

• La fisica
• composizione di forze e forze in equilibrio
  perché l'asinello diventa un "acrobata" con un
  dado pesante attaccato alla coda. Alla
  forza-peso FTa dell'asinello, si aggiunge la
  forza-peso FTd del dado, come
  mostrato in figura, per cui il baricentro B, a
  cui si può pensare applicata la loro risultante
  FT-ris, si sposta in basso e viene a trovarsi
  lungo la verticale che è allineata con la forza
  di reazione Fp-ris esercitata dall'appoggio
  perciò l'equilibrio è stabile
• oscillazione spostando il dado dalla verticale,
  la componente della forza FT-ris diretta lungo la
  congiungente continua ad equilibrarsi con
  lanaloga componente della forza di reazione
  Fp-ris esercitata dal piano, mentre la componente
  perpendicolare FT-perp non è più allineata e
  funziona da forza di richiamo che riporta il dado
  verso il basso. Giunto sulla verticale, il dado
  prosegue per inerzia, la componente FT-perp si
  inverte e funge di nuovo da richiamo nellaltro
  senso
• il periodo delloscillazione dipende dalla
  distanza d fra i punti di applicazione delle due
  forze maggiore è la distanza, più lungo è il
  periodo
• il tempo di smorzamento dipende soprattutto
  dallattrito contro lappoggio può essere
  valutato osservando dopo quante oscillazioni
  lampiezza delloscillazione si dimezza

Contesto - la conduzione dellattività in modo
ludico e qualitativo è fattibile a tutti i
livelli - osservazioni più impegnative e misure
più raffinate vanno adattate alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con
la scuola secondaria superiore
Oscillazioni-3b
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Il pendolo
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Oggetti filo, dado o pallina di pongo , una
bacchetta da tenda, pinze da bucato, forbici,
metro a nastro, contasecondi.

• Attività
• costruire vari pendolini utilizzando il dado e il
  pongo per formare palline di massa diversa e
  tagliando il filo per ottenere lunghezze diverse
  
• fissarli con le pinze da bucato alla bacchetta,
  che si dovrà appoggiare agli estremi in modo che
  i pendolini possano oscillare liberamente.
• inizialmente osservare semplicemente come
  oscillano i diversi pendoli, cercando di capire
  come avviene loscillazione e di individuare la
  forza di richiamo verso la posizione di
  equilibrio
• misurare il tempo che il pendolo impiega a fare
  una oscillazione completa (periodo), misurando il
  tempo di 10 oscillazioni e dividendo per 10
• analizzare poi quali grandezze caratterizzano
  loscillazione e da che cosa dipende il periodo
• successivamente trovare il modo di confrontare
  e/o misurare il periodo dei diversi pendolini,
  intervenendo eventualmente anche sul come è fatto
  il pendolo (lunghezza del filo, massa della
  pallina)
• misurare sistematicamente la relazione fra
  lunghezza del pendolo e periodo e riportarla in
  un grafico
• stimare infine il tempo di smorzamento, valutando
  dopo quante oscillazioni lampiezza si riduce
  circa alla metà.

• Concetti
• equilibrio e forza di richiamo verso la
  posizione di equilibrio,
• moto oscillatorio e periodo delloscillazione,
• trasformazione/conservazione dellenergia

Attacco (spunti e continuità) - la magia
delloscillazione e dellequilibrio

• Riferimenti
• - G. Meraviglia La scienza in altalena Schede
  di giochi e scienza - Editoriale Scienza,
  Trieste, 1999
• www.iapht.unito.it

• Aspetti didattici
• scoprire le forze di richiamo e la loro
  relazione con la posizione di equilibrio
• scoprire le caratteristiche delloscillazione, in
  particolare la periodicità
• analizzare le trasformazioni dellenergia e la
  sua conservazione/dispersione

Oscillazioni-4a
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Il pendolo
Contesto - la conduzione dellattività in modo
ludico e qualitativo è fattibile a tutti i
livelli - osservazioni più impegnative e misure
più raffinate vanno adattate alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con
la scuola secondaria superiore

• La fisica
• forze in equilibrio nella posizione di
  equilibrio il dado a cui è sostanzialmente
  applicata la forza peso FTd viene a trovarsi
  lungo la verticale che è allineata con la forza
  di reazione Fs-p esercitata dall'appoggio,
  perciò l'equilibrio è stabile
• oscillazione spostando il dado dalla verticale,
  la componente della forza FTd diretta lungo la
  congiungente continua ad equilibrarsi con
  lanaloga componente della forza di reazione
  Fp-ris esercitata dal punto di sostegno, mentre
  la componente perpendicolare FTd-perp non è più
  allineata e funziona da forza di richiamo che
  riporta il dado verso il basso. Giunto sulla
  verticale, il dado prosegue per inerzia, la
  componente FTd-perp si inverte e funge di nuovo
  da richiamo nellaltro senso
• durante loscillazione, lenergia si trasforma
  periodicamente da energia di posizione (che è
  massima quando il pendolo si trova alla massima
  distanza dalla posizione di equilibrio) a energia
  di moto (che è massima quando il pendolo passa
  per la posizione di equilibrio, cioè di
  allineamento lungo la verticale)
• il periodo delloscillazione dipende dalla
  distanza d fra i punti di applicazione delle due
  forze, cioè dalla lunghezza del pendolo maggiore
  è la distanza, più lungo è il periodo.

Oscillazioni-4b
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La molla
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Oggetti molle con buona costante di elasticità
oppure alcuni elastici di caucciù, bottiglia di
plastica da 1,5 litri, contasecondi, bacchetta di
sostegno

• Attività
• riempire la bottiglia con 1 litro di acqua,
  agganciarla allelastico di caucciù, appenderla
  alla bacchetta di sostegno e metterla in
  oscillazione
• inizialmente osservare semplicemente come
  oscilla, cercando di capire come avviene
  loscillazione e di individuare la forza di
  richiamo verso la posizione di equilibrio
• analizzare poi quali grandezze caratterizzano
  loscillazione e misurare il tempo di una
  oscillazione completa (periodo), misurando il
  tempo di 10 oscillazioni complete e dividendo per
  10
• ripetere la prova con la bottiglia riempita con
  1,5 litri
• ripetere la prova con due elastici messi in
  parallelo oppure in serie.

• Concetti
• equilibrio e forza di richiamo verso la posizione
  di equilibrio,
• moto oscillatorio,
• periodo delloscillazione,
• trasformazione/conservazione dellenergia

Attacco (spunti e continuità) - la magia
delloscillazione e dellequilibrio

• Riferimenti (dove, come e per chi)
• - G. Meraviglia La scienza in altalena Schede
  di giochi e scienza - Editoriale Scienza,
  Trieste, 1999
• www.iapht.unito.it

• Aspetti didattici
• scoprire le forze di richiamo e la loro
  relazione con la posizione di equilibrio
• scoprire le caratteristiche delloscillazione, in
  particolare la periodicità
• analizzare le trasformazioni dellenergia e la
  sua conservazione/dispersione

Oscillazioni -5a
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La molla

• La fisica
• forze in equilibrio appendendo la bottiglia
  contenente acqua, lelastico si allunga finché la
  forza Feb che lelastico applica alla bottiglia e
  che è diretta verso lalto equilibra la forza FTb
  diretta verso il basso
• oscillazione spostando la bottiglia verso il
  basso, la forza Feb aumenta, perché aumenta
  lallungamento dellelastico, mentre la forza FTb
  rimane invariata la differenza funziona da forza
  di richiamo che tende a riportare la bottiglia
  verso la posizione di equilibrio. Giunta alla
  posizione di equilibrio, la bottiglia prosegue
  per inerzia muovendosi verso lalto, ma ora la
  forza Feb è minore e diminuisce man mano che
  diminuisce la lunghezza dellelastico, per cui la
  differenza Feb - FTb si inverte e funge di nuovo
  da richiamo nellaltro senso
• durante loscillazione, lenergia si trasforma
  periodicamente da energia di posizione elastica
  (che è massima quando la bottiglia si trova alla
  massima distanza dalla posizione di equilibrio) a
  energia di moto (che è massima quando la
  bottiglia passa per la posizione di equilibrio)
• il periodo delloscillazione dipende dalla massa
  della bottiglia maggiore è la massa, più lungo è
  il periodo
• il periodo dipende anche dalla costante elastica
  della molla maggiore è la costante elastica, più
  breve è il periodo mettendo due elastici in
  parallelo, si aumenta la costante elastica,
  perché si irrigidisce lelastico, e quindi il
  periodo diminuisce lopposto avviene con gli
  elastici in serie.

FTb
Contesto - la conduzione dell attività in modo
ludico e qualitativo è fattibile a tutti i
livelli - osservazioni più impegnative e misure
più raffinate vanno adattate alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con
la scuola secondaria superiore
Oscillazioni-5b