Di metronomi, pesci nella boccia e altri esperimenti di fisica

Era da diverso tempo che non facevo un bel linkpost dedicato ad articoli tratti dalle riviste scientifiche. In questa nuova uscita ho deciso, però, di concentrarmi su una rivista molto particolare Physics Education, che raccoglie diversi articoli dedicati alla didattica della fisica. In questa occasione ne ho selezionati quattro che ho trovato particolarmente interessanti, segnalati dalla newsletter della IOP cui sono iscritto.
Iniziamo con The ballast metronome di A Agliolo Gallitto, M R Carotenuto, G Termini, O R Battaglia e C Fazio:

Presentiamo un'attività didattica riguardante la realizzazione di un metronomo a zavorra artigianale e l'indagine sperimentale delle sue oscillazioni, che possono essere modificate variando la posizione di un peso mobile lungo un'asta verticale. Lo strumento è dotato di uno scappamento meccanico azionato da un elastico. Analizziamo il sistema meccanico in termini di un pendolo composto. Tuttavia, a causa della presenza dello scappamento e dell'attrito, non considerati nel modello, i dati sperimentali sono considerati solo qualitativamente. L'attività sperimentale proposta può essere facilmente svolta in classe, nel laboratorio di fisica delle scuole secondarie e superiori. Il metronomo a zavorra può essere utilizzato per segnare i tempi musicali, come un metronomo meccanico classico. Inoltre, offre l'opportunità di insegnare/apprendere concetti a livello elementare riguardanti l'energia potenziale elastica, il meccanismo dello scappamento e l'isocronismo del pendolo sfruttato per la misurazione del tempo, contribuendo ad aumentare l'impegno degli studenti nella fisica.

Passiamo a un'altra attività pratica, Watching a goldfish swimming in a fishbowl di R De Luca, che letta così sembrerebbe una classica assurdità, ma in realta così non è, perché permette di abituare gli studenti a guardare il mondo con occhi differenti, un po' più simili a quelli raccontati da Richard Feynman in una famosa intervista a proposito di fiori e poeti. Sto però divagando. Andiamo all'abstract:

Il problema di determinare la posizione e l'ingrandimento di un pesce che nuota in una boccia per pesci può essere risolto mediante l'approssimazione a piccoli angoli. Tuttavia, una soluzione esatta, priva di tali semplificazioni, fornisce una descrizione più realistica e quantitativamente accurata di ciò che viene osservato. In questa analisi, la curva dell'ingrandimento trasversale viene determinata in funzione della posizione del pesce rosso all'interno della boccia. Si riscontra che l'ingrandimento aumenta man mano che il pesce rosso si allontana da un osservatore esterno. Questo comportamento qualitativo può essere facilmente confermato attraverso semplici esperimenti. Le differenze quantitative tra l'analisi esatta e l'approssimazione a piccoli angoli diventano significative quando le dimensioni del pesce rosso non sono trascurabili rispetto al raggio della boccia.

C'è a supporto anche un'ampia sezione matematica, dove la fa da padrone la trigonometria: in altri tempi probabilmente c'avrei dedicato un post apposito, ma per non rischiare di lasciare l'idea a languire per chissà quanti anni (soprattutto perché ci sono un altro paio di articoli cui vorrei dedicare, si spera in tempi brevi, altrettanti post) ho pensato bene di segnalarlo qui.

Il prossimo articolo, Assessment of students' understanding of electric and magnetic fields in high school di Esmeralda Campos, Philip Troskot, Wolfgang Aschauer e Martin Hopf, racconta delle difficoltà degli studenti delle scuole superiori austriache con concetti molto astratti come campi elettrici e campi magnetici. Lo studio ha previsto una serie di domande a scelta multipla rivolte a qualcosa come 265 studenti:

Abbiamo riscontrato che gli studenti hanno difficoltà nell'uso e nell'interpretazione delle rappresentazioni di campo, come la creazione di rappresentazioni ibride di linee di campo e frecce vettoriali. Sia nei risultati quantitativi che in quelli qualitativi, la confusione tra elettricità e magnetismo era evidente: nell'elettricità, gli studenti trattavano il campo elettrico come campo magnetico, mentre nel magnetismo, gli studenti trattavano i magneti come poli carichi.

L'ho trovato interessante, anche se concentrato su una realtà scolastica differente dalla nostra, essenzialmente perché mi sono chiesto se anche i nostri studenti italiani presentano queste difficoltà. Purtroppo nella mia passata carriera da insegnante non ho mai avuto modo, almeno in fisica, di affrontare, almeno dal punto di vista astratto, questi argomenti con delle classi (c'è stata un'occasione in cui un assistente di laboratorio ha ammaliato gli studenti con una magia elettromagnetica, ma è finita sostanzialmente lì), quindi non ho nessun dato per avere anche solo un'idea di partenza sulle possibili difficoltà dei nostri studenti. Sarebbe bello, a questo proposito, se qualche lettore riuscisse a illuminarmi sulla faccenda usando i commenti del post (che cercherò di sbloccare dalla moderazione in tempi umani!).

L'ultima segnalazione è per Helping introductory physics students connect physics with humanities, art, social sciences, and everyday life di Brooke Rouret, Jaya Shivangani Kashyap, Jeremy Levy e Chandralekha Singh:

In questo articolo, riflettiamo sulle nostre esperienze positive nell'integrazione o nello sviluppo di progetti con crediti extra nella fisica di base, che richiedevano agli studenti di collegare la fisica con le discipline umanistiche, le scienze sociali e la vita quotidiana. Presentiamo l'esempio di un progetto studentesco che riflette la loro creatività e ingegnosità e incoraggia altri docenti a proporre progetti simili.

L'articolo si concentra soprattutto su alcuni esempi. Il primo è una storia illustrata sull'amicizia e l'empatia tra un cerchio e un cilindro pieno, in cui la fisica (moto circolare, piano inclinato, momento di inerzia, energia, ...) ha un ruolo centrale nello sviluppo della storia. I disegni sono stati realizzati prima dell'arrivo dei text-to-image generator:

Il secondo esempio sono, invece, i componimenti poetici realizzati in un'altra classe, in cui sono stati integrati, nei versi, concetti di fisica. Questo è uno dei due componimenti poetici che i ricercatori hanno inserito nel loro articolo:

La fisica tutta intorno alla mia vita posso trovare, Come quando una pizza con un coltello provo a tagliare, Le onde di un carro si muovono per moto circolare, Le onde dell'oceano hanno una frequenza particolare.

Nella traduzione mi sono divertito a mantenere la struttura delle rime che lo studente aveva scelto originariamente. Ciò, comunque, mi ha ricordato che una volta proposi qualcosa del genere a uno studente interessato alla musica. Gli proposi di scrivere un testo in rima a sfondo matematico e alla fine mi portò il suo risultato. Penso di averlo archiviato da qualche parte, ma in ogni caso l'effetto fu il medesimo di quello ottenuto in quest'ultima segnalazione.
Su astroEDU abbiamo un paio di attività analoghe a quelle che sono prese come esempio qui sopra.
La prima è Glitter your Milky Way, dove bisogna realizzare una versione artistica della Via Lattea (anche se a ben vedere tutte le immagini della Via Lattea, a parte la mappa di Gaia, sono in qualche modo artistiche, per quanto basate su dati astronomici reali).
La seconda è AstroPoetry writing, dove, come intuibile dal titolo, si spinge gli studenti a scrivere versi astronomici.
Oppure, in INAF, abbiamo il concorso dedicato a Gianni Rodari sulla scrittura creativa dedicato agli studenti delle primarie e delle secondarie di primo grado. E che ha prodotto risultati analoghi a quelli del primo dei due esempi proposti.