Nell’ambito della sperimentazione del recente Student Kit, è stato sviluppato un percorso con l’obiettivo di fare utilizzare questo strumento per il laboratorio di Fisica (Scienze Integrate negli Istituti Professionali). Tale percorso è stato pensato su tre livelli: uno iniziale sui circuiti base con attenzione alle diverse tipologie di collegamento, uno intermedio in cui si è affrontato il rapporto tra matematica e informatica, un ultimo di approfondimento in cui sono state applicate le conoscenze dei livelli precedenti per osservare il diverso comportamento di alcuni componenti. Questa attività è stata sfruttata anche per la sperimentazione di diversi strumenti potenzialmente utili alla Didattica Digitale Integrata: tavoletta grafica e tablet con penna per la scrittura di formule a mano su supporti digitali, document camera e tablet per la realizzazione di immagini e filmati, piattaforme online per la distribuzione del codice e la simulazione. Sebbene il focus principale sia il secondo ciclo di istruzione, tutte le proposte possono essere affrontate anche nella scuola secondaria di primo grado.
I collegamenti.
A questo livello si è voluto affrontare la differenza tra i collegamenti in serie e parallelo non solo attraverso un linguaggio al tempo stesso basilare e rigoroso facendo uso dei concetti di ramo e nodo (fisicacapovolta.it sez. 5.4), ma anche cercando di utilizzare semplici elementi circuitali come gli interruttori.
Collegamento in serie:
Collegamento in parallelo:
Esercizi proposti:
- disegna e realizza un circuito con quattro pulsanti in serie;
- disegna e realizza un circuito con quattro pulsanti in parallelo;
- disegna e realizza un circuito con due pulsanti in serie collegati a due in parallelo;
- disegna e realizza un circuito con due pulsanti collegati in serie e messi in parallelo con altri due in serie.
Dalla retta ai segnali
Lo strumento della “mappa” instesa come trasformazione di un insieme di valori in un altro è tanto semplice quanto potente, perché può essere utilizzato in moltissimi contesti differenti (ad esempio, come posso trasformare i punteggi di un test con 24 domande in una scala da 2 a 10?). Per ragione si è colta l’occasione per mettere in relazione le conoscenze realtive alla retta che arrivano dalla Matematica per applicarle in contesto semplice come la generazione dei segnali e i suoni. Di seguito un esempio della presentazione teorica dell’attività:
Applicazione della linearizzazione alla riproduzione di un suono
Nell’esempio proposto è stata sfruttata la possibilità di alimentare la scheda attraverso una batteria; il segnale viene generato dalla funzione tone().
Applicazione della linearizzazione alla gestione di due variabili e alla generazione di segnali periodici.
Simulazione con Thinkercad. Attenzione perché la simulazione del potenziometro ha una struttura differente da quello fornito con il kit, per cui anche i collegamenti saranno leggermente diversi tra simulazione e realizzazione pratica.
Realizzazione pratica
Esercizi proposti:
- prova a variare i valori minimo e massimo della frequenza del primo circuito e osserva se e come cambia la percezione per diverse persone;
- collega il piezo al secondo circuito e osserva come cambia il suono emesso.
Carichi lineari e non lineari
In questa ultima parte utilizziamo un segnale periodico per visualizzare la differenza di comportamento di un carico. Il segnale in uscita (V_out) è legato a quello in entrata (V_in) da una semplice relazione:
dove α può essere una costante o una funzione e i suoi valori dipendono anche dagli elementi presenti nel carico.
In entrambi gli esempi proposti è stato usato lo stesso codice.
Un carico lineare
Nel primo esempio è utilizzato un partitore formato da due resistori uguali. In questo caso abbiamo:
dove R_1 e R_2 sono i valori delle resistenze. Dal momento che sono stati usati due resistori uguali in questo caso α=0,5.
In questo caso al variare della resistenza cambia il valore del segnale in uscita (in rosso nel video), ma quest’ultimo non dipendende dalla frequenza del segnale in ingresso (in blu nel video).
Un carico non lineare
Nel secondo esempio è utilizzato un circuito RC.
In questo caso al variare della resistenza cambia il valore del segnale in uscita (in rosso nel video), che in questo caso dipendende dalla frequenza del segnale in ingresso (in blu nel video): infatti, all’aumentare della frequenza il segnale diminuisce in ampiezza e quello realizzato viene anche chiamato filto “passa-basso”.
Esercizi proposti:
- nel primo esempio prova a sostituire uno dei resistori e osserva cosa cambia;
- nel secondo esempio prova a sostituire il resistore con uno di diversa resistenza e osserva cosa cambia.