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Onde Alberto Stefanel TFA Onde – Modelli concettuali Per rappresentare possibili due rappresentazione: Modello del mezzo in cui avviene la propagazione Modello dell’ente che si propaga L1vello della rappresentazione Fenomeno ondulatorio Visione locale Propagazione di un oggetto Mezzo attivo Mezzo passivo sono di con una a) Rappresentazione visione d’insieme b) Rappresentazione in termini di enti singoli Visione d’insieme Propagazione di perturbazione un’onda livelli Solo l’integrazione delle due rappresnetazioni può dare una corretta descrizione della fenomenologia Risorse: propagazione per oggetti (moto dei corpi); propagazione di perturbazione (comportamento ondulatorio). Descrizione della propagazione di un impulso in una corda: gli attribuiamo caratteristiche di un oggetto (forma, larghezza, velocità…) Un’analisi di ricerca [Wittmann M.C., Steinberg R.N. and Redish E.F., Making Sense of how Students Make Sense of Waves, The Phys. Teacher 37 15-21 (1999)] Ha messo in luce che la maggior parte dei problemi di apprendimento sulle onde riguarda la compresnione dei fenomeni delle onde elastiche dall’inappropirato uso delle risorse che si possono utilizzare per descrivere la propagazione delle perturbazioni: Così, ad esempio, le modalità di propagazione dipendono dal modo con cui è stato generato l’impulso, come se si propagasse in un mezzo passivo. Un PRE/POST-TEST (Tarantino 2004) Modello del mezzo attivo (AMM) vs Modello del mezzo passivo (PMM) Modello del mezzo attivo (AMM) Situazione Che cosa accade se la mano si muove più rapidamente ? 10 m Modello del mezzo passivo (PMM) La velocità di propagazione è la stessa L’impulso viaggia più rapidamente L’impulso sonoro raggiunge il micro 2 prima del micro 1 perché l rigidità del metallo è maggiore di quella dell’aria L’impulso sonoro raggiunge prima il microfono 1 a causa della maggiore resistenza offerta dal metallo alla propagazione Le particelle di polvere oscillano Le particelle di polvere si muovono in avanti o stanno ferme 10 m Microfono 1 Microfono 2 Quale microfono viene raggiunto per primo dall’impulso sonoro? Descrivere il moto delle particelle di polvere. Making Sense of How Students Make Sense of Mechanical Waves Michael C. Wittmann, Richard N. Steinberg, Edward F. Redish Ideas of force and energy used incorrectly (reasoning based on the force exerted by the hand to create the pulse) “You flick [your hand] harder...you put a greater force in your hand, so it goes faster.” creating a wave with a larger amplitude takes greater force and thus the wave will move faster Shaking your hand harder (in interviews, this was usually accompanied by a quick jerk of the hand) will “put more force in the wave.” Reasoning based on energy to describe the effect of a change in hand motion (“We could make the initial pulse fast, if you flick [your hand], you flick it faster... It would put more energy in.” This student is failing to distinguish between the velocity of the hand, which is associated with the transverse velocity of the string, and the longitudinal velocity of the pulse along the string. Students using energy arguments to describe how they would change the speed of the wave pulse also often state that pulses of different sizes will move with different speeds. “Make it wider, so that it covers more area, which will make it go faster.” In follow-up comments, this student explained that it took more energy to create a larger pulse, and that the pulse would move faster because it had more energy. Or… smaller pulses will move faster. “Tinier, tighter hand movements” will allow the wave to slip more easily (thus, faster) through the medium. From explanations given by students on the pretest and in follow-up interviews, we find that most students do not demonstrate a functional understanding of superposition (only 5% sketched Figure 4(a)). The most common incorrect response, given by 40% of the students, showed no superposition unless the peaks of the pulses overlapped (see Figure 4(b)). A typical student explanation was that “the waves only add when the amplitudes meet.” We have found that students giving this explanation use the word “amplitude” to describe only the point of maximum displacement, and they ignore all other displaced points in their descriptions. Other students also had difficulty with the process of wave addition. One-fifth of them sketched Figure 4(c) and stated that the points of maximum displacement would add even though they weren’t at the same location on the string. This question was also asked in an interview setting. One interviewed student who used the word “amplitude” incorrectly, as described above, explained, “Because the [bases of the] waves are on top of each another, the amplitudes add.” A correct response to the question (shown in Figure 6(a)), given by 55% of the students, shows that the wave pulses pass through each other. Superposition of waves should have no permanent effect on the two waves. The most common incorrect answer, shown in Figure 6(b), was given by one fifth of the students. One student wrote, “[Part of] the greater wave is canceled by the smaller one.” In explanations, students implied that they were thinking of this as a collision. APPROCCIO DIDATTICO Approccio l’impulso con Approccio agli enti singoli L’approccio alle onde basato sulle sinusoidi focalizza sulla periodicità di un’onda e inoltre la forma a sinusoide tende a non far comprendere che la forma è solo un’accidente dell’onda, che nulla ha a che vedere con la sua natura. Se si osserva un fenomeno ondulatorio noi non lo identifichiamo in quanto tale se non ne facciamo un’analisi in termini di propagazione dei singoli enti coinvolti. CONCEZIONI DEGLI STUDENTI An Investigation of student understanding of single-slit diffraction and double-slit interference, B.S. Ambrose, P. S. Shaffer, R.N. Steinberg, L.C. McDermott, 1998 - Addressing student difficulties in applying a wave model to the interference and diffraction of light, K. Wosilait, P.R.L. Heron, P.S. Shaffer, L. C. McDermott, 1999 Wittmann, Steinberg, Bao, Redish 1999; Redish, Wittman, Steinberg 2000 Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde Esercizi sulle onde