|
Articolo pubblicato il 17-01-2005
A.Milazzo, A.Bonanno
Dipartimento di Fisica - Università della Calabria.
Unità I.N.F.M. di Cosenza.
Numero 11-12 - Anno 2
17 Gennaio 2005
|
|
 Un Laboratorio Virtuale di Cinematica per visualizzare e rendere interattivo il moto del proiettile
Introduzione
Molte sono le difficoltà generalmente incontrate dagli studenti nella comprensione dei moti nel piano¹, pur essendo questi i moti più comunemente osservati nella realtà quotidiana.
Le difficoltà sono relative sia al carattere vettoriale delle grandezze cinematiche che intervengono nella descrizione del moto, sia al fatto che le stesse possono essere graficamente rappresentate secondo differenti modalità. Per esempio, nel moto del proiettile, la quota (y) può essere rappresentata in funzione dello spostamento orizzontale (x), (ottenendo così la traiettoria del moto y=y(x)), oppure in funzione del tempo t, (ottenendo le leggi orarie x=x(t) e y=y(t)). Tali difficoltà sono anche conseguenti all'estrema astrazione con cui normalmente il concetto di funzione viene introdotto, con scarse applicazioni connesse alla descrizione dei fenomeni che si verificano nella vita quotidiana.
Occorre sottolineare che, nonostante velocità ed accelerazione siano termini propri del linguaggio comune, spesso gli studenti incontrano difficoltà nel distinguere tra loro queste due grandezze, con gravi conseguenze nella comprensione delle leggi della Dinamica. Inoltre, anche se gli strumenti matematici richiesti sono relativamente semplici, risultano notevoli le difficoltà generalmente incontrate nel ricavare le equazioni del moto, quando le condizioni iniziali differiscono da quelle standard (proiettile lanciato dall'origine con una data velocità iniziale).
Infine, alcuni risultati relativi al moto del proiettile non sono facilmente prevedibili. Ad esempio, non è immediato intuire che un proiettile abbandonato in caduta libera ed un altro lanciato dalla stessa altezza, ma dotato di velocità orizzontale non nulla, impiegano lo stesso tempo per toccare il suolo.
Le tecnologie Multimediali2, attualmente disponibili, possono costituire un valido strumento nella didattica3 delle discipline scientifiche e, a tale scopo, sono stati realizzati vari siti tra i quali MERLOT4 (Multimedia Educational Resource for Learning and on-line Teaching) che offrono una vasta collezione di materiale didattico per l'insegnamento delle materie scientifiche. Gli strumenti didattici più largamente utilizzati sono le applets (realizzate in linguaggio Java) che risultano indipendenti dal sistema operativo utilizzato e consentono un alto grado di interattività.
Anche per quanto riguarda il moto del proiettile, in rete sono reperibili diverse applets5 (oppure laboratori virtuali), ciascuna delle quali focalizza particolari aspetti del moto. In molte di queste possono essere variati la velocità iniziale, l'angolo di tiro, la posizione da cui il proiettile viene sparato, ma solo in alcune è possibile inserire anche la presenza della forza d'attrito dovuta alla resistenza dell'aria6.
Nell'allestimento di questo nuovo laboratorio virtuale si sono voluti rendere interattivi tutti i parametri che intervengono nella caratterizzazione del moto, prestando particolare attenzione alla rappresentazione grafica delle grandezze cinematiche coinvolte, senza trascurare l'aspetto ludico utile per renderne accattivante l'utilizzo, stimolando contemporaneamente l'interesse dello studente.
Aspetti Pedagogici
Le tecnologie Multimediali costituiscono oggi un potente strumento didattico e presentano una indiscussa serie di vantaggi, tra i quali:
1. Maggiore efficacia della lezione
La lezione Multimediale risulta molto più incisiva della classica lezione frontale, perché la visualizzazione, le animazioni e l'interattività costituiscono un veicolo per il trasferimento immediato di informazioni, aiutando inoltre gli studenti a sviluppare quell'autonoma capacità di elaborazione, fondamentale per la loro crescita culturale.
2. Potenziamento delle facoltà di apprendimento.
Generalmente, i vari argomenti trattati in fisica richiedono una capacità immaginativa che gli studenti possiedono in gradi estremamente diversificati. La presenza di immagini ed animazioni permette di superare facilmente tale ostacolo, rendendo gli argomenti facilmente fruibili da parte di tutti, al fine di consentire quel coinvolgimento necessario a potenziare il processo collettivo di sintesi.
3. Possibilità di effettuare esperimenti Virtuali.
Negli Istituti Scolastici, a volte, le scarse risorse economiche disponibili rendono impossibile l'acquisizione dei materiali necessari per la realizzazione degli esperimenti, oppure gli stessi esperimenti, normalmente citati nei percorsi didattici, presentano difficoltà tecniche difficilmente superabili nei comuni laboratori scolastici. In tali casi è fondamentale poter disporre di un Laboratorio Virtuale, utile anche per iniziare gli studenti alla modellizzazione dei fenomeni fisici ed alla trattazione quantitativa delle esperienze proposte.
In sintesi, i concetti veicolati da immagini presentano un impatto immediato, fornendo più spunti di riflessione e concedendo maggior spazio alla rielaborazione e all'approfondimento.
Una applet per visualizzare e rendere interattivo il Moto del Proiettile.
L'applet sul moto del proiettile realizzata con gli obiettivi sopra illustrati, si sviluppa secondo il diagramma di flusso schematizzato nella figura seguente:
L'ingresso dei dati è realizzato tramite una finestra (window) che consente l'input dei dati ed il controllo dell'animazione. Gli elementi in essa contenuti sono mostrati nella Fig.1, dove si può notare, nel pannello azzurro, la presenza di 3 cursori (slider), relativi alle condizioni iniziali che permettono la selezione della velocità iniziale, dell'angolo di tiro e dell'altezza da cui viene sparato il proiettile, mentre gli altri 3 cursori permettono di variare la posizione del bersaglio, la velocità dell'animazione e l'intervallo di tempo elementare connesso al numero di punti necessario per disegnare la traiettoria.
Fig. 1
La finestra presenta 6 slider tramite le quali vengono forniti gli input, 2 checkbox e 7 button che permettono di effettuare scelte e controllare l'animazione.
Nel pannello verde sono contenuti:
a) 4 pulsanti (button), di seguito elencati, ognuno dei quali, se attivato, permette l'apertura di una finestra.
1. "grafico di vx e vy" (Fig.2), in cui si osserva l'andamento in funzione del tempo delle componenti del vettore velocità, vx e vy.
2. "grafico dell'accelerazione" (Fig.3), dove si visualizza l'andamento temporale delle componenti del vettore accelerazione, ax e ay.
3. "val.numerici" (Fig.4), dove vengono mostrati i valori numerici relativi alla gittata ed alla massima altezza raggiunta dal proiettile.
4. "equaz.moto" (Fig.5), in cui è permessa la visualizzazione delle equazioni del moto sia in assenza che in presenza di resistenza dell'aria.
b) 2 pulsanti di scelta (checkbox).
Attivando "rallenta", è possibile rallentare il moto del proiettile, mentre selezionando "resistenza dell'aria"(Fig.6) si può osservare la traiettoria dello stesso in presenza di attrito viscoso, confrontandola con la corrispondente traiettoria in assenza di d'attrito.
Infine sono presenti altri 3 pulsanti (button).
1. "avvia", tramite il quale lo studente può far partire la simulazione (Fig.7) ed osservare, rispetto al sistema di riferimento, il vettore velocità ed il vettore accelerazione con le rispettive componenti.
2. "blocca", che permette l'arresto dell'immagine per alcuni secondi, in modo da rendere possibile l'intervento didattico del docente.
3. "pulisci", che consente la pulizia dello schermo (Fig.8).
Fig. 2
In questa figura sono mostrati gli andamenti nel tempo delle componenti della velocità in assenza (a) ed in presenza di resistenza dell'aria (b).
Fig. 3
La figura (a) mostra l'accelerazione a cui è sottoposto il proiettile in assenza di attrito viscoso, che è la sola accelerazione di gravità, mentre la figura (b) mostra le componenti ax e ay
dell'accelerazione tenendo conto anche della presenza della
forza d'attrito viscoso.
Fig. 4
Selezionare "val.numerici" permette di osservare i valori delle componenti della velocità iniziale, della gittata e della massima altezza raggiunta dal proiettile in assenza e presenza di attrito viscoso.
Fig. 5
Nella figura è mostrata la finestra che contiene le equazioni che regolano il moto del proiettile nei due casi considerati.
Fig. 6
La figura mostra come l'applet dia la possibilità di confrontare le traiettorie del proiettile in assenza e in presenza di resistenza dell'aria.
Fig. 7
Come si può notare dalla figura, nell'applet viene messo in risalto
il sistema di riferimento e la scomposizione dei vettori rispetto allo stesso.
Fig. 8
Se non si effettua la pulizia dello schermo, è possibile osservare le traiettorie per diversi valori dei parametri del moto.
Conclusioni
Ricorrendo alla visualizzazione e fornendo la possibilità di variare i parametri in gioco, si sono voluti rendere più intuitivi i vari concetti relativi all'argomento trattato.
Grande rilievo è stato dato alla scelta del sistema di riferimento, alla rappresentazione grafica delle traiettorie, ed alle leggi orarie relative alla velocità ed accelerazione (sia in presenza che in assenza della forza d'attrito viscoso). Tutto ciò allo scopo di chiarire, accanto al significato delle varie grandezze fisiche, il ruolo delle condizioni iniziali che intervengono nello studio del moto del proiettile.
Bibliografia
[1] http://webphysics.davidson.edu/physletprob
[2] A.Bonanno,"La Multimedialità come strumento per l'apprendimento modulare ed interdisciplinare delle Scienze. Un esempio di Lezione Multimediale: Le onde elastiche" -
C.Costabile e R.Santarossa , "Formazione della conoscenza con le nuove tecnologie", Convegno Internazionale - Didattica in ambito scientifico con le nuove tecnologie - Maggio 2003
[3] Ronad L.Green, "Illuminating Physics via Web-Based self-Study" , The Physics Teacher- vol.39,September 2001;
[4] http://www.merlot.org/home.po
[5] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cinematica/bombardeo/bombardeo.htm
http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/more_stuff/
Applets/ProjectileMotion/jarapplet.html
[6] http://jersey.uoregon.edu/vlab/Cannon/index.html;
http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/dragForce/dragForce.html;
|
Autore: di
A.Milazzo, A.Bonanno
Dipartimento di Fisica - Università della Calabria.
Unità I.N.F.M. di Cosenza.
Scarica questo articolo nel tuo computer
 
© 2005 Scienzaonline.com
|
|
|
