Insegnare fisica/Didattica tradizionale/Incomprensioni sulla nomenclatura di base

Cariche positive e negative, poli magnetici nord e sud

Cariche positive e negative

Molti studenti credono che i nomi "positiva" e "negativa" per le due varietà di carica elettrica siano in qualche maniera necessari e inevitabili, o che essi si riferiscono realmente a qualcosa che è in eccesso e a qualcosa che manca. Dovrebbe essere reso chiaro agli studenti che i nomi sono perfettamente arbitrari e che potrebbero essere scelti ugualmente i nomi "rosso" e "blu" così come "Giorgio" e "Andrea".

Magneti

Alcuni studenti avevano giocato con i magneti quando erano piccoli, ma è sorprendente il numero di quelli che non l'hanno fatto. Inoltre, anche coloro che avevano giocato con i magneti solo raramente lo avevano fatto in condizioni tali da eseguire osservazioni sistematiche e guidate, invece di operare delle manipolazioni a caso che non erano mai ordinate e organizzate dal punto di vista concettuale. Molti studenti, per esempio, hanno giocato con i magneti solo alle scopo di sollevare puntine, chiodi o fermagli da carta con una singola calamita, ma non hanno mai esplorato le interazioni tra due magneti, e rimangono sconcertati quando osservano una repulsione per la prima volta. È anche vero che qualche studente può avere già visto delle dimostrazioni sperimentali di questi effetti in diverse circostanze, ma l’esperienza è stata completamente fatta per interposta persona; gli studenti non hanno mai preparato personalmente questo esperimento, o sentito le forze con i loro stessi muscoli. Per loro è importante percepire in prima persona l’attrazione che si genera tra i magneti quando vengono allontanati tra loro con l’orientazione appropriata, o la repulsione che si ha quando vengono spinti l’uno verso l’altro.

Anche in questo caso, gli studenti possono essere guidati a compiere degli esperimenti sistematici a casa, dopo che le questioni siano state illustrate un po' a lezione (e sempre che sia possibile reperire il materiale necessario).

Poli magnetici

Il termine polo magnetico può essere sviluppato in maniera operativa a partire dall'osservazione delle differenze tra le interazione associate con le estremità di magneti rettilinei e le loro parti mediane. Dovrebbe essere reso chiaro, preferibilmente attraverso una dimostrazione sperimentale diretta, che i poli magnetici non possono essere separati rompendo il magnete e che tutti i magneti semplici sono sempre bipolari.

Molti studenti sono a conoscenza dell’interazione tra magneti e aghi di bussola, ma all’inizio è meglio evitare l’uso della bussola poiché il suo ago è un normale magnete. Molti studenti non lo capiscono, e altri perdono di vista troppo facilmente il fatto che il riferimento originale nella terminologia magnetica è la Terra stessa, e non la bussola.

Dapprima gli studenti dovrebbero essere condotti a stabilire la direzione nord-sud nel punto in cui si trovano. Quindi possono prendere due magneti lineari (dopo aver controllato che si tratti in effetti di due magneti, e che uno di essi non è semplicemente un oggetto smagnetizzato) e appenderli a due corde, con un apposito sostegno che permetta di mantenere una direzione orizzontale. Gli studenti dovrebbero osservare in prima persona che ciascuno dei magneti, una volta giunto a riposo, si trova allineato all’incirca nella direzione nord-sud. Essi dovrebbero quindi marcare in qualche modo i poli «che cercano il nord» e poi controllare le interazioni tra le estremità dei magneti in tutti i modi possibili. A partire da queste osservazioni essi possono dare un significato operativo ai poli «uguali» e «diversi», e possono esprimere il fatto che poli uguali si respingono e poli diversi si attraggono. Possono anche vedere qual è l’origine dei nomi «nord» e «sud» per, rispettivamente, le estremità che si rivolgono verso nord e sud.

Seguendo questa successione di eventi, la maggior parte degli studenti concluderà che la bussola è semplicemente un ago magnetizzato sospeso per centro, e riconoscerà che la stessa Terra è un enorme magnete. La confusione degli studenti riguardo il significato di questi termini è evidente, ma bisogna tenere di conto che queste loro misconcezioni nascono principalmente dal fatto che non hanno mai avuto la possibilità di seguire la concatenazione di osservazione, ragionamento e invenzione dei nomi che è stata delineata in precedenza. Essi sono stati costretti a una lettura o a un ascolto passivo e hanno semplicemente tentato di imparare a memoria il vocabolario relativo.

Induzione elettrostatica

Una volta che il concetto di carica risulta chiaro, si può cominciare ad instillare nella mente degli studenti l'idea che esistano delle particelle elementari cariche che formano la materia, e che lo sfregamento generi proprio un cedimento di alcune delle strutture interne di queste particelle elementari. Infine, potremmo renderli partecipi del fatto che sia la conduzione, sia il caricamento di contatto per sfregamento, sia il caricamento per induzione testimoniano l’esistenza di diversi gradi di mobilità della carica elettrica all’interno dei diversi materiali.

Sulla base di ciò che ora sappiamo sull’onnipresenza e sulla mobilità della carica elettrica, possiamo fornire una descrizione ragionevole di come possa sorgere l'attrazione tra un oggetto carico e uno scarico? Un’impostazione molto comune consiste nel dichiarare che questo tipo di attrazione sorge «a causa» del fenomeno dell’induzione. A questo stadio, pochi studenti sono preparati a dipanare da soli la concatenazione logica. Inoltre, essi prendono in maniera del tutto letterale le espressioni che contengono la frase «a causa»: quando uno scienziato dice che questo e questo accade «a causa di quello e quello», molti studenti intendono queste affermazioni come un resoconto assoluto del perché tale fenomeno accade. Lo scienziato ha espresso una ragione a priori che lo studente non avrebbe mai potuto immaginare, quindi la rivelazione viene diligentemente imparata a memoria senza capire da dove proviene.

Se non hanno qualche aiuto diretto, molti di essi trovano difficile da visualizzare e da comprendere il processo con cui avviene l’induzione elettrica. Dovrebbero essere assistiti nel visualizzare processi possibili sia nei conduttori che negli isolanti. Siccome negli isolanti la carica viene visualizzata come qualcosa che è immobile, il modello appropriato è quello in cui si inducono dei dipoli elettrici. Dal momento che nei corpi conduttori la carica viene visualizzata come qualcosa capace di muoversi, l’induzione deve essere interpretata in termini di uno spostamento reale o una separazione della carica. In quest’ultimo caso è importante far capire agli studenti che questo modello rende conto dell’attrazione a causa di un corpo carico senza alcun riguardo al fatto che a muoversi sia la carica positiva, o quella negativa, o che entrambe le cariche siano in grado di muoversi simultaneamente. Molti studenti sono disorientati da questo fatto e fanno molta fatica ad accettare questa indeterminazione. Essi si aspettano di poter trovare immediatamente la "risposta corretta", e per loro è anche difficile da accettare l’idea che non sia possibile ottenere una risposta univoca dagli esperimenti e dalle osservazioni.

Carica per induzione

Molti studenti dei corsi introduttivi di fisica trovano che il fenomeno della carica per induzione sia un processo difficile e capace di disorientare, e hanno grandi difficoltà nel visualizzarlo. Se l'idea di induzione è motivata e sviluppata in maniera chiara, spariscono molte delle difficoltà che si hanno con il fenomeno delle carica per induzione. Nell'analizzare li situazione che riguardano la carica per induzione, si dovrebbe richiedere agli studenti di disegnare delle immagini della distribuzione della carica in vari stati successivi nella sequenza delle operazioni, e di descrivere con parole proprie ciò che sta accedendo. La comprensione viene ottenuta nella maniera più efficace quando si richiede di descrivere ogni singolo passo a parole.

Bibliografia

• (EN) Arnold B. Arons, Teaching introductory physics, New York, Wiley publication, 1997, pp. Chapter 6, ISBN 0-471-13707-3.