Insegnare fisica/Basi cognitive/Energia

Sebbene l’energia sia uno dei temi centrali e tra i più ricchi di risvolti nelle discipline scientifiche, gli studenti di solito hanno grosse difficoltà nel comprenderne il significato. È importantissimo, tuttavia, far notare che nella fisica odierna noi non abbiamo presente ciò che l’energia è. Non abbiamo un modello che esprima l’energia come somma di termini definiti. Tuttavia, vi sono formule per calcolare alcune quantità numeriche, e se le sommiamo tutte otterremo sempre lo stesso numero. Riteniamo che il precedente fatto debba essere chiarificato agli studenti prima di iniziare una qualsivoglia lezione sull’energia, essendo l’unica maniera di evitare confusione. Da questo momento in poi ci riferiremo a tale visione (ovvero di energia come composizione di formule matematiche) con il nome di “nozione fisica di energia”.

La letteratura è ricca di studi sulla percezione degli studenti nei confronti del tema dell’energia. Joan Solomon fa notare come il termine, che compare fin dalla prima infanzia (anche se spesso in maniera contraddittoria e quasi sempre in associazione a istinti vitali quali “saltare” o “essere vivi”), finisca per identificare, negli adulti, quattro temi che caratterizzerebbero questa concezione: vitalismo (l’energia è necessaria per vivere), attività (l’energia è necessaria per muoversi) e carburante (l’energia è necessaria per azionare macchinari). Questi temi sono emblematici di come il vocabolo venga utilizzato al di fuori della scuola e i suoi significati possono sia convivere che entrare in conflitto con quelli accademici. Negli studenti più giovani, abbiamo detto, prevalgono concezioni antropocentriche e vitalistiche: l’energia è collegata alla vita e al movimento, alla capacità di compiere lavori. Non s’immagina l’energia associata a oggetti inanimati immobili, salvo il caso di oggetti esplicitamente fabbricati per immagazzinare e fornire energia, come le pile e i combustibili. L’idea che l’energia si possa trasformare in diverse forme, ampiamente veicolata dai manuali, è spesso intesa, più che come un principio di conservazione di una quantità fisica misurabile, come una metamorfosi, simile a quelle raccontate nelle favole in cui il ranocchio si trasforma in principe. Crescendo, la concezione che i ragazzi hanno dell’energia si fa sempre più accademica, ma non ancora del tutto soddisfacente.

Watts (1983) descrisse come il concetto di energia esposto dagli studenti consistesse in sette diversi punti di vista:

energia centrata sull’uomo – si attribuisce energia solo all’essere umano o al limite a oggetti su cui vengono proiettate caratteristiche umane (modello infantile)
modello depositante dell’energia – alcuni oggetti hanno e cedono energia (e possono essere ricaricati) mentre altri hanno “bisogno” di energia (e semplicemente consumano tutta quella che trovano) e altri ancora sono neutrali. A titolo di esempio, in un circuito elettrico la batteria appartiene alla prima categoria, la lampadina alla seconda e i fili elettrici alla terza.
energia come ingrediente – in questo caso l’energia non è più un agente, ma un reagente: un ingrediente all’interno di oggetti o situazioni che hanno bisogno di un qualche tipo di innesco per attivarlo (il carbone quando viene bruciato, il cibo quando viene assimilato, ecc.)
energia come un’attività “ovvia” – Si identifica l’energia solo attraverso attività manifeste. Qui qualsiasi forma di azione è considerata energia: correre, camminare, un telefono che squilla, il fuoco che brucia ecc.
energia come prodotto – Si intende l’energia non più un ingrediente o un processo (come negli esempi precedenti), ma come un sottoprodotto della situazione.Contrariamente agli altri casi, l’energia non si conserva più ed è trattata come un ente che si crea e si distrugge entro un breve lasso di tempo.
energia come funzionale – In questo caso l’energia diventa una sorta di carburante atta a muovere elettrodomestici e esseri viventi, ma che non ha niente a che fare con gli oggetti inanimati.
modello di energia a trasferimento a flusso – L’energia non è una sostanza, un fluido o un carburante che si insinua tra i corpi, trasferendosi da l’uno all’altro, ma si presenta come costrutto (numeri calcolati in maniera precisa in una certa maniera prestabilita proveniente da teorie e esperimenti per preservare una relazione in differenti fenomeni fisici).

Viene integrato, nell’ultimo punto della precedente lista, anche la nozione fisica di energia. Tuttavia, è bene precisare che questa è scarsamente utilizzata, anche da chi ha seguito corsi di fisica alle superiori. Inoltre, l’impiego di questa nozione è spesso inappropriato, confuso con altri di stampo scientifico. Per esempio, si crea spesso difficoltà a distinguere tra forza ed energia o potenza ed energia, energia e voltaggio, temperatura e calore. In più, molti studenti pensano che soltanto gli oggetti in movimento posseggano energia e che l’energia serva sempre per fare qualcosa. Ricerche hanno dimostrato come molti studenti pensino che non ci sia energia in oggetti inanimati.

Interessante, anche in questo caso, il parallelismo storico che, invece di passare attraverso Aristotele (che intendeva l’energia in maniera completamente diversa) vede i maggiori scienziati precedenti la seconda metà dell’ottocento, prima che una definizione chiara di energia si affermasse: Helmholtz intitolava Conservazione della forza il suo famoso lavoro del 1847 nel quale stabiliva un principio generale di conservazione dell’energia e il termine forza viva, introdotto da Leibniz, è stato utilizzato, fino a pochi decenni fa, in molti manuali scolastici per indicare l’energia cinetica (Besson, 2017).

Facciamo notare che, come nel caso della forza, anche all’energia (seppur non in maniera così assoluta) è associata un’azione vitale. Benché il concetto di energia in fisica sia legato a quello di forza (l’energia è infatti l’integrale di una forza attraverso uno spostamento), riteniamo che il fraintendimento non sia connesso con tale legame: riteniamo probabile invece che i due concetti rechino confusione separatamente, sebbene in alcuni casi possano essere fraintesi tra di loro (molti studenti fanno fatica a distinguere tra forza e energia, come citato sopra). Rimandiamo all’elenco…. E facciamo notare come si accosti molto meglio alla nozione di energia piuttosto che a quella di forza.