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SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze

SENDS Università di Torino - Alberto Regis, Ezio Roletto

ENERGIA E

TRASFERIMENTI DI ENERGIA

22 maggio 2013

TRENTO

Società Chimica Italiana

Divisione di Didattica chimica

IL CONCETTO DI ENERGIA

NELLA SCUOLA SECONDARIA

DI PRIMO E SECONDO GRADO

ENERGIA NELLA FISICA

Richard Feynman (Nobel per la fisica nel 1965): Vi è una certa quantità, che chiamiamo energia, che non cambia nei molteplici mutamenti subiti dalla natura. Il concetto è formale, 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 singolare di poter calcolare un numero, e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo ottenendo sempre lo stesso risultato.

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L’ENERGIA È UN CONCETTO SOTTILE

Non è facile capire l’energia abbastanza bene da usarla nel modo giusto, così da giungere a

conclusioni corrette (Richard Feynman)

Di una cosa in movimento non si può dire che è l’energia che la fa muovere; si può solo dire che ha energia.

PER QUALI RISULTATI?

OBIETTIVO: Portare gli studenti ad acquisire il concetto (modello) di energia in modo operativo.

Cosa significa? Significa che devono: 1.  Conoscere e comprendere gli attributi

essenziali del concetto. 2.  Essere in grado di descrivere e interpretare

una situazione in cui entra in gioco l’energia alla luce di questo concetto.

Per ora, non si prendono in considerazione gli aspetti quantitativi.

CHE TIPO DI CONCETTO?

Abitualmente si dice: è un concetto astratto. Le idee possono essere concrete?   Dire che un concetto è astratto o concreto

significa confondere il concetto con l’oggetto concettualizzato.

  Ciò che è oggetto di concettualizzazione può essere concreto o astratto: un oggetto materiale (sedia) o un oggetto mentale (forza, energia, potenziale, ecc.)

I CONCETTI CATEGORIALI

  Sedia: entità concreta nella quale è incarnato il concetto di sedia.

  Il concetto di sedia è un concetto categoriale, perché individua una categoria di oggetti materiali.

  A l c o n c e t t o d i s e d i a s i p e r v i e n e (apprendimento) con un processo di astrazione empirica applicato a un ventaglio di sedie, diverse per forma, colore, materiali, ecc.

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I CONCETTI CATEGORIALI

In cosa consiste il processo? Si isolano gli attributi essenziali:

  gambe o sostegni affini;

  un piano orizzontale;

  un piano verticale.

In più:   un nome (etichetta concettuale);

  una funzione (serve per sedersi).

I CONCETTI FORMALI

Energia: non entità materiale, ma entità mentale.

Concetto di energia: formale. Non ha riferimenti concreti, a differenza di quelli categoriali.

Concetti formali : sono frutto della riflessione degli scienziati. Non sono derivati dallo studio di oggetti materiali; sono presunti, inventati.

Concetti categoriali: ottenuti con un processo di astrazione su oggetti: quelli formali, con un processo di astrazione su idee.

INSEGNAMENTO DEI CONCETTI   L ’ i n s e g n a n t e f o r n i s c e l a d e f i n i z i o n e

(tradizionale)   L’insegnante lavora con gli allievi a identificare

attributi essenziali, ossia a costruire il concetto   Cosa si impara?

  Un vocabolo ⇒ Una definizione   Un concetto ⇒ Uno strumento per ragionare

  L’acquisizione in profondità dei concetti formali avviene grazie a cambiamenti concettuali notevoli (didattica) che implicano processi lunghi che devono essere adeguatamente sostenuti dall’insegnante (pedagogia).

L’IMPOSTAZIONE PREVALENTE

Energia definita come capacità di compiere lavoro.

Definizione relativa all’ambito della meccanica. Difetti: 1.  Interferenza di significato comune di lavoro.

Energia è presente se «si fa qualcosa». Se non si fa qualcosa, l’energia non c’è.

2.  Definizione inadeguata dal punto di vista scientifico.

3.  Non permette allo studente di utilizzare il concetto al di fuori di tale ambito.

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FORZA O ENERGIA?

Giovanni Cantoni (1881):

“…Giova notare come il vocabolo energia abbia un significato meglio esplicito e determinato di quello di forza.

Chiamasi energia d’un corpo la sua a t t i t u d i n e a c o m p i e r e u n determinato lavoro.

E si denomina lavoro l’atto con cui il corpo produce un cambiamento di posizione di un sistema di parti.

GLI ATTRIBUTI ESSENZIALI

Il concetto di energia che lo studente deve acquisire al termine della scuola secondaria di secondo grado. L’energia è qualcosa che:

 Può essere immagazzinata in un sistema.  Può fluire da un sistema a un altro sistema.

Nei trasferimenti, l’energia:  si conserva in quantità.  si degrada in qualità.

FORME DI ENERGIA?

Approccio tradizionale – Termine energia associato con aggettivi che rimandano a forme di energia intese come entità fisiche diverse. Nella maggior parte dei casi (energia meccanica, elettrica, chimica, idraulica, termica, eolica, geotermica, ecc.) si tratta di espressioni in cui l’aggettivo si riferisce: 1. Al deposito di energia (solare, muscolare, di legame, ecc.); 2. Al tipo di fenomeno (chimica, idraulica, nucleare, elettrica, eolica, di ionizzazione, ecc.); 3. A caratteristiche di significato scientifico non ben definito ( energia rinnovabile, pulita, ecc.); 4. A caratteristiche prive di significato scientifico (energia mentale, psichica, ecc.)

FORME DI ENERGIA?

Molteplicità di espressioni complica il processo di apprendimento, dando allo studente l’impressione che esistano parecchie entità scientifiche da apprendere una per una. Dal punto di vista scientifico, le cose sono ben diverse. L’energia è una, e i suoi attributi essenziali sono pochi:

  Viene trasferita da mezzi diversi;   Nei trasferimenti, si conserva in quantità, si

degrada in qualità.

È importante che insegnante chiarisca quali aggettivi hanno senso in ambito scientifico e quali in ambito tecnico (usati per comodità di espressione)

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LA NOSTRA PROPOSTA

  L’apprendimento significativo del concetto di energia è possibile nel corso della scolarità se gli allievi sono messi in condizione di impadronirsi gradualmente di conoscenze sempre più sofisticate, alla portata delle potenzialità cognitive degli allievi.

  Abbiamo adottato un approccio basato in primo luogo sulla costruzione di concetti e modelli precursori che consentano di rendere plausibili gli attributi essenziali del concetto di energia.

  Abbiamo strutturato un percorso verticale di acquisizione progressiva di conoscenze dalla scuola elementare alla secondaria di secondo grado.

GLI ASPETTI POSITIVI

1.  Il percorso proposto è consono alle potenzialità cognitive degli allievi.

2.  Mano a mano che l’allievo avanza nel grado di scolarità, il livello di concettualizzazione dell’energia passa da quello macroscopico (un mezzo per fare funzionare un oggetto tecnico) a quello formale (gli attributi essenziali, ossia il 1° e 2° principio della termodinamica).

3.  Prepara il terreno concettuale necessario per affrontare gli aspetti quantitativi in modo consapevole

PRIMA TAPPA

SCUOLA PRIMARIA

Approccio: mezzi – effetti

L’energia è vista come condizione per funzionare, nel senso che molti oggetti tecnici di uso quotidiano devono ricevere l’apporto di qualcosa (energia) per funzionare.

Si portano gli allievi a considerare dal punto di vista tecnico un gran numero di oggetti tecnici usati nella vita di tutti i giorni.

L’obiettivo perseguito è il seguente:

Portare gli allievi a sviluppare il punto di vista energetico

su un gran numero di oggetti tecnici abituali nel contesto quotidiano contemporaneo

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Obiettivi

Portare gli allievi a rendersi conto che:

  A molti oggetti tecnici si deve fornire un mezzo per farli funzionare.

  I mezzi forniti agli oggetti tecnici sono di natura diversa.

  Con mezzi diversi si può ottenere lo stesso effetto mediante oggetti tecnici differenti.

  Con lo stesso mezzo si possono ottenere effetti diversi da oggetti tecnici differenti.

Cosa entra, cosa esce

  L’energia è qualcosa che si deve fornire agli oggetti tecnici per farli funzionare al fine di ottenere determinati effetti.

  L’energia può essere fornita all’oggetto tecnico con mezzi diversi che

funzionano da trasportatori di energia.

Lavastoviglie

Mezzo elettricità

Ciò che esce

Acqua sporca

Stoviglie pulite

Ciò che entra

Acqua pulita

Stoviglie sporche

??

SECONDA TAPPA

SCUOLA SECONDARIA DI PRIMO GRADO

Origine dei mezzi Problema: Da dove vengono i mezzi che forniscono agli oggetti

tecnici l’energia che li fa funzionare? Questo interrogativo deve guidare l’intervento

dell’insegnante, ma non può essere proposto agli allievi, perché troppo generale.

Da dove viene l’elettricità che utilizziamo in casa? Attività 1 – La produzione dell’elettricità Obiettivi:   Portare gli allievi a comprendere che, per avere qualcosa, si deve

dare qualcosa, ovvero, per produrre qualcosa, si deve usare qualcosa

  Portare gli allievi a comprendere che, per produrre elettricità, si ricorre a materie prime che sono risorse naturali.

  Cominciare a costruire l’idea che le risorse naturali possono essere di due tipi – materiali (ad esempio, il petrolio) o fenomeni (ad esempio, il vento) – e sono sempre riserve di energia, chiamate spesso risorse energetiche.

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Origine dei mezzi

  L’idea di riserva di energia è ritenuta fondamentale per gli allievi della scuola primaria e secondaria di primo grado

  Si deve tenere presente che, da un punto di vista scientifico, non è corretto parlare di forme di energia.

  L’energia viene trasportata da un sistema a un altro da svariati mezzi che si chiamano portatori di energia.

  Il passaggio dalla riserva di energia (risorsa naturale) al portatore utilizzato per fare funzionare gli oggetti tecnici, permette:

1.  Di introdurre i componenti di un oggetto tecnico trasferitori dell’energia.

2.  Di analizzare le sequenze di operazioni che consentono di passare dalla riserva di energia (risorsa naturale) al portatore di energia usato per fare funzionare un oggetto tecnico, sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista distributivo.

FOL 1 - FOL 2

Origine dei mezzi

Attività 2 – Le riserve di energia Obiettivi Portare gli allievi a:   considerare alcune risorse naturali come riserve di

energia.   distinguere le riserve di energia in materiali e

fenomeni.   distinguere le riserve di energia in:

  rinnovabili (la riserva si ricostituisce rapidamente);   non rinnovabili (per ricostituire la riserva ci

vorrebbero tempi lunghissimi). FOL 3

Attività 3 – Come arriva fino a noi l’elettricità?

Facoltativa FOL 4B e 4C

Studio di alcuni dispositivi: un primo approccio

Gli allievi prendono in considerazione alcuni sistemi e li analizzano dal punto di vista funzionale:

1.  Quali componenti costituiscono il sistema.

2.  Quale azione esercita ogni componente su quello che lo segue.

In questo modo, gli allievi possono rappresentare i

sistemi analizzati come una sequenza di componenti e di azioni orientate in un determinato senso. Si tratta del primo passo verso la nozione di catena energetica.

la pila la lampadina

fa accendere

Schema funzionale di un sistema energetico

Attività 4   Si dividono gli allievi in gruppi, facendo in modo che ogni

gruppo disponga di una lampada tascabile   Si chiede a ogni gruppo di disegnare l’oggetto.   Discutendo i vari disegni, dovrebbe risultare che l’oggetto

«lampada tascabile», anche se di forme diverse, è costituito dagli stessi componenti:   Una pila (o batteria) - Una lampadina

  Altri componenti quali:   contatti tra pila e lampadina;   interruttore acceso/spento (on/off)

  I componenti essenziali: pila e lampadina   Discutere per costruire uno schema

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Schema funzionale di un sistema energetico

Attività 5 Un dispositivo più complicato: le luci di una bicicletta

Consegna (gruppi): inventare un oggetto tecnico per accendere una

lampadina.   da fare a casa   da presentare in classe con un poster e/o dei lucidi a tutti i

compagni.   Ogni dispositivo deve essere concepito, disegnato e poi

rappresentato con i simboli

la ruota

la dinamo

fa girare

la lampadina

fa accendere

Dispositivi ed effetti: sei modi per accendere una lampadina

Dispositivi ed effetti: accendere una lampadina

Dispositivi ed effetti: e questo dove lo mettiamo?

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Dispositivi ed effetti: un possibile inizio

Dispositivi ed effetti: ecco fatto

Dispositivi ed effetti: .. e due Dispositivi ed effetti:

far cadere le cose dall’alto

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Dispositivi ed effetti: un po’ di luce

Dispositivi ed effetti: soffia forte

Dispositivi ed effetti: possiamo aprirla? Dispositivi ed effetti:

qui non succede niente!?

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Portatori di energia

Attività 6/7 - Portare gli allievi a rendersi conto che gli oggetti tecnici usano l’energia per funzionare: in alcuni oggetti tecnici entrano sia il portatore di energia sia altre cose, mentre in altri oggetti tecnici entra soltanto il portatore di energia che lo fa funzionare.

Macinino

per il caffè Nel corso della FASE 1 (ciò che entra e ciò che esce) oggetti della prima categoria

FOL 5A

(ciò che entra e ciò che esce) oggetti della seconda categoria

FOL 5B - FOL 6

Pannello

fotovoltaico

Studio di alcuni dispositivi: un secondo approccio

Gli allievi prendono in considerazione gli stessi sistemi dal punto di vista dell’energia e del suo trasferimento; questo significa che li analizzano dal punto di vista distributivo.

Analizzare un sistema dal punto di vista distributivo, significa stabilire quali componenti cedono, ricevono, cedono e ricevono energia.

  L’analisi viene dunque condotta in termini di componenti e funzioni, in base alle quali i componenti possono essere classificati come: depositi, ricevitori, trasferitori.

  In questo modo, gli allievi possono rappresentare i trasferimenti di energia nei sistemi analizzati, arricchendo la nozione di catena energetica.

Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 8 Possiamo ora considerare la torcia elettrica dal punto di vista

dell’energia e del suo trasferimento all’interno dell’oggetto tecnico. Avremo allora una rappresentazione distributiva:

  L’energia è sempre associata a un portatore   Nel caso del sistema pila→lampadina, qual è il portatore?   È un’entità immateriale cioè l’elettricità.   Lo schema distributivo viene quindi completato in questo modo:

Pila Lampadina energia

elettricità

Pila Lampadina

fornisce energia

riceve energia

Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 9 - La discarica dell’energia   Una torcia elettrica serve, in genere, per illuminare un ambiente:

Ne segue che l’ambiente è l’ultimo componente della catena energetica: esso riceve energia senza fornirne

  La sua funzione è quella di discarica   Nel caso pila→lampadina→ambiente, qual è il portatore?   Il flusso di energia necessita di più portatori: l’elettricità, la

luce e il calore.   All’inizio della catena c’è un componente che fornisce energia

senza riceverne (deposito), un componente che riceve e fornisce energia (trasferitore) e un componente che riceve energia senza fornirne (discarica).

Pila Lampadina Ambiente

energia energia

elettricità luce calore

DEPOSITO TRASFERITORE DISCARICA

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Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 10 - Un impianto solare termico Rappresenta l’impianto solare termico utilizzando lo schema distributivo, completandolo con tutte le indicazioni opportune (ruolo di ogni componente, flusso dell’energia, portatori, trasferitori)

FOL 7

Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 11 – I trasferitori di energia La maggior parte degli apparecchi sono dei trasferitori

di energia (FOL 8):   il motore elettrico riceve energia con il portatore elettricità e

la trasferisce a un altro componente utilizzando il portatore movimento;

  il fornello a gas riceve energia con il portatore gas (e ossigeno) e la trasferisce a un altro componente utilizzando il portatore calore;

  il calorifero riceve energia con il portatore acqua calda e la trasferisce all’ambiente utilizzando il portatore aria calda

  la dinamo (l’alternatore) riceve energia con il portatore movimento e la trasferisce a un altro componente utilizzando il portatore elettricità

Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 12 – Il portatore calore 1.  Viene fornito uno schema muto del sistema di

riscaldamento di un abitazione (FOL 9)

Consegna: Rappresenta con uno schema distributivo un impianto di riscaldamento con caldaia a gasolio, indicando la funzione di ogni componente dal punto di vista dell’energia.

Serbatoio Caldaia Radiatore Ambiente

Serbatoio Caldaia Radiatore Ambiente

DEPOSITO TRASFERITORE TRASFERITORE DISCARICA

energia energia energia

gasolio acqua calda

aria calda

Schema distributivo di un sistema energetico

Attività 12 – Il portatore calore 2.  Consegna: Rappresenta, con uno schema funzionale e uno

schema distributivo, il sistema della figura seguente: Giovanni, rientrando a casa, decide di far funzionare la luce della sua bicicletta, poiché comincia a scurire; a questo fine, attiva il funzionamento della dinamo.

FOL 10

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Catena funzionale

Attività 12 Dal punto di vista funzionale, all’origine dell’accensione

della lampadina c’è il bambino che pedala e fa girare la corona dentata che fa muovere la catena che fa girare la ruota che fa girare la dinamo che fa accendere la lampadina che illumina l’ambiente.

Fa

muovere Bambino

Corona dentata

Catena Ruota Fa

girare

Ambiente Lampadina Dinamo illumina Fa

accendere

Fa girare

Fa girare

Catena distributiva e portatore calore

Attività 12 - gli allievi vanno condotti a considerare che:   tutti i trasferitori del sistema cedono energia con il portatore

calore all’ambiente;   anche il deposito (bambino) oltre a fornire energia con il

portatore movimento, cede energia all’ambiente con il portatore calore.

Nella catena di distribuzione dell’energia, ogni componente trasferisce all’ambiente

una parte di energia con il portatore calore.

Luce calore

energia

Bambino Corona dentata

Catena Ruota energia energia energia

movimento

Ambiente Lampadina Dinamo energia energia

movimento

elettricità

movimento movimento

TERZA TAPPA

SCUOLA SECONDARIA DI SECONDO GRADO

BIENNIO

Un dispositivo più complesso

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La raccolta delle idee

POSSIEDE RICEVE FORNISCE

Caldaia Acqua, energia,

calore, capacità di scaldare

Combustibile, energia, niente

Vapore, flusso d’aria, flusso di vapore,

flusso d’acqua (gas), energia

Turbina Niente, capacità di ruotare, movimento

Vapore, movimento, flusso (d’aria, di

vapore)

Movimento, energia meccanica, rotazione

Alternatore

Capacità di trasformare

movimento in elettricità, niente,

energia, capacità di trasformare energia meccanica in energia

elettrica

Movimento, energia meccanica, rotazione,

energia

Energia elettrica, energia

Lampadina

Capacità (di illuminare; di fornire

luce; trasformare elettricità in luce,

energia, niente

Energia elettrica, energia Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente

Un flusso

  Il concetto di flusso è molto importante.

  A livello microscopico esso individua una precisa caratteristica dei moti molecolari.

  Quando identifichiamo un flusso, intendiamo dire che le particelle che costituiscono il sistema considerato si muovono in una direzione e un verso privilegiati rispetto a tutti gli altri possibili.

La raccolta delle idee

POSSIEDE RICEVE FORNISCE

Caldaia Acqua, energia,

calore, capacità di scaldare

Combustibile, energia, niente

Vapore, flusso d’aria, flusso di vapore,

flusso d’acqua (gas), energia

Turbina Niente, capacità di ruotare, movimento

Vapore, movimento, flusso (d’aria, di

vapore)

Movimento, energia meccanica, rotazione

Alternatore

Capacità di trasformare

movimento in elettricità, niente,

energia, capacità di trasformare energia meccanica in energia

elettrica

Movimento, energia meccanica, rotazione,

energia

Energia elettrica, energia

Lampadina

Capacità (di illuminare; di fornire

luce; trasformare elettricità in luce,

energia, niente

Energia elettrica, energia Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente

Un dispositivo già visto

POSSIEDE RICEVE FORNISCE

Sole energia, calore,

luminosità, combustibile

niente Energia, calore, luce

Cella fotovoltaica

Niente Energia, calore, luce Energia, energia elettrica

Lampadina energia, niente energia Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente

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Sole

Rappresentazione simbolica di un dispositivo modellizzato come una catena distributiva

energia Cella foto voltaica Lampadina Ambiente

energia energia

DEPOSITO TRASFERITORE TRASFERITORE DISCARICA

L’energia è una

•  Luce, elettricità, calore??

•  Mezzi di trasporto → trasportatori → portatori

Sole

energia Cella foto voltaica Lampadina Ambiente

energia energia

luce elettricità luce calore

Il Calore

Per la prima volta si introduce il portatore calore. È un momento fondamentale, poiché il concetto di calore viene distinto da quello di energia.

Una proposizione ipotetica

  L’insegnante può ora avanzare questa ipotesi: In situazioni diverse, con catene di componenti diversi e con effetti finali diversi, si può pensare che esiste un’entità immateriale chiamata energia che fluisce da un componente a un altro e che si manifesta producendo effetti diversi.

  In tal modo si rende ipotetica, ma plausibile l’idea di catena energetica.

  Tale idea comporta l’introduzione di due concetti:   energia   portatore di energia

  Distinzione tra energia e portatore di energia e quindi tra energia e trasferimento di energia.

Una conclusione

  L’energia, a questo punto, è un’entità immateriale; non è grandezza fisica fino a quando non venga espressa razionalmente e quantitativamente mediante altre grandezze fisiche

  In conclusione:   in una catena energetica viene trasferita sempre la

stessa cosa: energia;   cambiano i portatori di energia, determinando il

modo in cui quest’ultima si manifesta;   i trasferitori sono componenti che, in un

dispositivo, possono far cambiare il portatore, quindi possono mutare il modo in cui i l trasferimento avviene.