Didattica e elettromagnetismo

Come posso, in maniera innovativa e creativa, introdurre ai ragazzi il concetto di campo elettrico e della sua rappresentazione grafica magari con degli esempi o dei problemi simpatici?
Dove posso trovare delle informazioni sui problemi maggiormente riscontrati dai ragazzi nell'apprendimento della fisica?
Gina Pellegrino
7 febbraio 2005
Le esperienze di elettrostatica, certamente utili, sono in generale delicate. Tradizionalmente sono svolte in dimostrazioni sperimentali dall'insegnante e può accadere, in una giornata umida e/o in presenza di diverse persone in un ambiente non ventilato, che i corpi conduttori si scarichino mentre operiamo. Tuttavia, diverse esperienze possono essere svolte a casa caricando oggetti comuni (cannucce, bicchieri ecc.) strofinati con carta, lana, seta, fibre sintetiche ecc. e usando come foglie di elettroscopi nastro adesivo.

Su libri scolastici e per ragazzi sono descritte esperienze di elettrostatica di semplice esecuzione. Gli insegnanti potrebbero assegnare compiti sperimentali a casa, chiedendo agli studenti di svolgere le esperienze e di concatenare osservazioni, risposte ecc. in modo da sviluppare proprie linee di interpretazioni e poi condividere in classe e in laboratorio concetti e teorie.

La visualizzazione e la costruzione delle linee del campo elettrico per via sperimentale richiedono una certa esperienza di laboratorio, questo è il motivo per cui, dovendo introdurre un concetto così importante - il campo è un sistema fisico che interagisce con altri sistemi - molti autori di libri di testo e insegnanti preferiscono introdurre il campo attraverso esperienze di magnetismo (le cui esperienze sono certamente meno impegnative) e poi fanno lavorare sul campo elettrico con rappresentazioni e foto, sottolineando analogie e differenze.

Volendo incuriosire e coinvolgere con i campi elettrici, inizierei con ciò che si trova in natura. Si sa che ci sono pesci elettrici. Forse è meno noto il fatto che questi possono non solo generare elettricità, ma anche orientarsi e cacciare prede rivelando elettricità. Ad esempio gli squali possono rivelare deboli campi elettrici prodotti dai muscoli della preda, il pesce elefante Gnatonemus genera campi di dipolo elettrico e con gli elettrorecettori della pelle rivela con estrema sensibilità le modificazioni delle sue linee del campo elettrico. Questo processo, elettrolocazione attiva, permette ad esempio di orientarsi in acqua torbida e di notte. Questi esempi potrebbero rivelarsi molto utili anche per agganci ad altre discipline e consiglierei di orientare gli studenti insegnando a utilizzare con criterio motori di ricerca (scelta delle parole chiave, affidabilità dei siti ecc.).

Gli esperimenti per la visualizzazione delle linee di campo elettrico possono essere svolti dall'insegnante, in laboratorio, utilizzando un generatore elettrostatico e bacchette cariche immerse (anche solo parzialmente), in contenitori con liquidi isolanti. Le linee possono essere visibili utilizzando semi di erba, semolino ecc. in sospensione.
Buoni risultati si possono ottenere utilizzando olio e sottili fili di rayon per visualizzare le configurazioni più interessanti dal punto di vista didattico: carica puntiforme, due cariche uguali, dipolo, condensatore piano ecc. Utilizzando contenitori trasparenti è possibile, con una lavagna luminosa, realizzare una dimostrazione-visualizzazione in modo da discutere coinvolgendo tutti. Questa volta è l'insegnante che è invitato a navigare in rete alla ricerca di soluzioni tecniche efficaci che si trovano, ad esempio, in siti di università americane (sono anche disponibili filmati di esperimenti). Ma questa parte sperimentale risulterebbe di scarso valore in assenza di attività di studio, di simulazioni-animazioni con software (anche con il foglio di calcolo) e di esercitazioni con problemi ed esercizi che è possibile selezionare da diversi libri.

L'utilizzo dei diagrammi vettoriali e dell'algebra è fondamentale per la comprensione di concetti così importanti. L'utilizzo di applets e di software che combinano visualizzazione delle linee del campo, richieste di calcoli ecc. (ce ne sono anche di liberi scaricabili dalla rete) possono essere di aiuto per la comprensione della fenomenologia dei campi e dei suoi aspetti matematici (creando, muovendo sorgenti e cariche esploratrici; perché il campo sia rivelato c'è bisogno di una carica elettrica; come varia la configurazione globale; quanto vale il campo in un punto; come si lavora con la sovrapposizione ecc.).

Le questioni riguardanti le strategie didattiche relative agli aspetti sperimentali e concettuali dei campi sono di interesse anche per lo studio della storia e dei fondamenti della fisica. L'evoluzione del concetto di campo (dall'etere alla moderna teoria dei campi ) è cruciale per cogliere aspetti essenziali della fisica.

Un elenco delle questioni didattiche più rilevanti (come aiutare gli studenti a comprendere con strategie mirate che fanno riferimento a esperienze consolidate) risulterebbe qui troppo schematica. Molti aspetti sono discussi in siti di ricerca in didattica della fisica.

Suggerimenti interessanti sulla didattica della fisica (e anche sui campi elettrici) sono in:
A. Arons, Guida all'insegnamento della fisica, Zanichelli, 1992, pp. 448.
Proposte di sperimentazioni e risorse didattiche sono anche nel sito:
www.les.unina.it

Emilio Balzano Città della Scienza-Fondazione IDIS, Dipartimento di Fisica, Università di Napoli

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