UNIVERSITA

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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FERRARACORSO
ABILITANTE PER LINSEGNAMENTO SECONDARIOCLASSE
A059

• Dissertazione della tesi
• Lelettricita
• Corsista
  Tutor
• Dott. Egidio Barbone
  Dott.ssa Paola Sgarzi
• 
  
  
• Relatore
• Prof.ssa Paola De Chiara

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• 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 dellaspetto 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 linvenzione 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, lelettricità di
  un corpo si manifesta con scintille e crepitii e
  definirono il fenomeno della scarica elettrica

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• 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
lesperimento 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.
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• COLLEGAMENTI PLURIDISCIPLINARI

MATEMATICA LA PROPORZIONALITA, LA LOGICA DELLE
PROPOSZIONI
EDUCAZIONE ALLA SALUTE ELETTRICITA SICURA, IL
PACEMAKER
GEOGRAFIA ECONOMIA ED ENERGIA
Elettricita
EDUCAZIONE AMBIENTALE LINQUINAMENTO, IL
RISPARMIO ENERGETICO
STORIA LE SCOPERTE SULLELETTRICITA
TECNOLOGIA LE CENTRALI ELETTRICHE
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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
  nellanalisi
• dei testi.

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• 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 interruttore.
• 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.

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• 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.
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• Che cosa succede al variare della differenza di
  potenziale?

Osservazioni analoghe a quelle che abbiamo appena
fatto furono condotte 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
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• La maggior parte degli studenti alle prime armi
  ha poche idee, o nessuna, riguardo la struttura
  della lampadina.
• In questi casi, è utile rompere linvolucro 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.

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• Rappresentazione grafica di grandezze
  direttamente proporzionali (rappresentazioni
  grafiche della prima legge di Ohm)
• Se nello stesso conduttore,che ha una resistenza
  di10 ohm, si misurano successivamente intensità
  di correntedi 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 variabili dell'intensità di corrente e
  con y i corrispondenti valori di differenza di
  potenziale. Possiamo scrivere la relazione y
  10 x compilare una tabella e rappresentare
  graficamente la relazione sul piano cartesiano.

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• 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'intensità di
  corrente. Possiamo scrivere la relazione y 120
  / x,compilare una tabella e rappresentarla
  graficamente sul piano cartesiano

Resistenza e intensità di corrente sono
inversamente proporzionali il grafico è un ramo
di iperbole
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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 involucro (per la pila).
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• Analisi dei testi
• Nei testi della scuola secondaria di primo grado
  lelettricità 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 sullelettricità (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, lacqua che circola non

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• 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 sperimentale.
• 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
  allosservazione e alla comprensione dei
  fenomeni. Nella scheda comprende
• finalità dellesperimento
• materiali, sostanze, strumenti e dispositivi
  utilizzati
• descrizione delle operazioni preliminari
  nellesecuzione dellesperimento, in ordine di
  tempo
• descrizione dei fenomeni osservati, in ordine di
  tempo, per ogni operazione compiuta
• spiegazione dei fenomeni osservati.

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Relazione tra intensità e resistenza
(realizzazione di circuiti con filo conduttore di
diversa sezione)
Obiettivo Si vuole dimostrare che intensità e
resistenza sono grandezze inversamente
proporzionali
Materiali Amperometro pila da 4,5 volt due fili
elettrici di diversa sezione ma di uguale
lunghezza
Esecuzione
Costruisci un circuito elettrico utilizzando il
filo conduttore di sezione minore. Chiudi il
circuito e osserva la luce emessa dalla
lampadina. Annota il valore dell'intensità di
corrente che leggi sull'amperometro (fig.
A) Ripeti l'esperimento utilizzando il filo
conduttore di maggiore sezione (fig. B)
Risultati - A parità di lunghezza oppone
maggiore resistenza la passaggio della corrente
il filo di conduttore di sezione..
-Usando il filo con sezione minore, la luce
emessa dalla lampadina è ..
lamperometro segna una intensità di corrente
pari a ..ampere -Usando un filo di sezione
maggiore, la luce emessa dalla lampadina
è.. lamperometro segna una corrente
di intensità pari a.ampere. -Aumentando la
resistenza lintensità aumenta/diminuisce. -Le
due grandezze sono..proporz
ionali
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Difficoltà emerse nelle attività di
laboratorioAlcuni 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
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• Nel circuito elettrico in figura sono presenti
  due lampadine uguali collegate alla stessa
  batteria. Come sarà la loro luminosità?
• Uguale
• L1 più luminosa di L2
• L2 più luminosa di L1
• L1 accesa, L2 spenta
• L2 accesa, L1 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.

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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 AgtDEgtBC
Benchè luso 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.
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• Nel circuito in figura ci sono 4 lampadine uguali
  e una batteria ideale.
• 1) Se si apre linterruttore vicino alla
  lampadina C, cosa succede alla luce di B?
• Rimane la stessa
• Aumenta
• Diminuisce
• Si spegne

Mettere in ordine crescente di luminosità le 4
lampadine a interruttore chiuso.

• poiché la resistenza complessiva del circuito
  aumenta, la corrente che attraversa A diminuisce
  e quindi risulterà meno luminosa.
• 2) ADgtBC