Insegnare fisica/Didattica tradizionale/Pile, lampadine e concetti base sui circuiti

E' importante tenere presente che la maggior parte delle persone, al di fuori di chi ha ottenuto laure specifiche o diplomi tecnici, non sa che il passaggio di corrente avviene all'interno di un circuito chiuso (ci sarà la tendenza, se gli viene chiesto, di collegare un solo polo della batteria a una lampadina per accenderla).

Primo circuito: pila e lampadina

Per questo motivo sarebbe opportuno proporre agli studenti di accendere una lampadina utilizzando dei cavi e una batteria, guidandoli a sperimentare più configurazioni possibili. Si potrebbe introdurre, poi, l'utilizzo di oggetti più disparati all'interno del circuito (monete, plastica, matite, chiavi ecc.). Infine, invitarli a disegnare tutte le configurazioni trovate. In questo modo si arriva a una classificazione chiara di tutti i materiali che permettono e non permettono il passaggio di corrente e la considerazione dell'aria come isolante diventa intuitiva e Il termine "circuito", a questo punto, può essere introdotto con cognizione di causa.

A questo punto è utile far notare l'uniformità del sistema, ovvero come, ad esempio, la lampadina si accenda ovunque allo stesso modo e come i cavi del circuito si riscaldino alla stessa maniera indipendentemente dalla loro posizione (c'è la tendenza, tra gli studenti, a credere che nei circuiti elettrici esiste un "prima" e un "dopo", ad esempio avranno la propensione a credere che i cavi della batteria siano più caldi nelle vicinanze della batteria piuttosto che in quelle della lampadina, perché la corrente passa "prima" da quel punto). E' anche una buona occasione per riunire, se affrontati in precedenza, i concetti di carica, energia, dissipazione, o altro.

Un passo logico successivo nello sviluppo dei concetti e nel rifinire il modello può essere l’esplorazione dei fattori che influenzano la luminosità della lampadina, cioè l’intensità dell’effetto. Sia collegando una seconda lampadina in successione con la prima, sia inserendo nel circuito dei tratti sempre maggiori di filo di nichel-cromo, si ottiene una diminuzione della luminosità della lampadina collegata a una data batteria. Ciò suggerisce che l’"intensità" o il "vigore" della corrente elettrica possa essere diminuito inserendo del nuovo materiale polo a polo (in "serie") nel circuito. Oggetti diversi hanno effetti di diversa intensità. Ciò suggerisce che materiali diversi o diverse quantità di materiale siano, in qualche senso, degli "ostacoli", o che offrano diversi tipi di "impedimento" al flusso. Da questa osservazione possiamo derivare il concetto di «resistenza elettrica».

Preconcetti degli studenti sui circuiti di base

Di seguito, alcuni dei preconcetti comuni che l'insegnante dovrebbe sfatare:

1. L'idea che la resistenza aumenti se aggiungiamo degli oggetti in serie al circuito è generalmente accettata dagli studenti, ma non si può dire la stessa cosa di questa riguardo al suo diminuire quando si aggiunge del materiale in parallelo. Il fatto solo di "aggiungere" per gli studenti si identifica immediatamente in un aumento della resistenza. Il fatto di aver studiato la legge di Ohm e le sue applicazioni non elimina questo preconcetto, a eccezione di un piccolo numero di studenti. E' utile quindi portarli a effettuare esperimenti con pile e lampadine al fine di verificare in concreto la diminuzione di questa resistenza.
2. Se si pone due lampadine in serie e poi cortocircuitiamo una di esse, gli studenti sono di solito molto sorpresi di vedere spegnersi quest'ultima e di veder aumentare di luminosità l'altra. Tutti hanno sentito il termine "corto circuito", ma pochissimi hanno una conoscenza operativa o concettuale del suo significato. Tutto ciò che sanno, in genere, è che un corto circuito è qualcosa di "nocivo". Essi dovrebbero essere guidati a formarsi il concetto usando "prima l'idea e poi il nome".
3. Un’idea qualitativa del "vigore" della batteria può essere introdotta grazie a esperimenti con combinazioni di batterie in serie (sia nel caso in cui gli effetti si "sommano", sia in quello in cui si "sottraggono"). Naturalmente questo è un passo fondamentale verso la formazione del concetto di "differenza di potenziale", ma non è conveniente tuffarsi precipitosamente in quest’ultima idea. Il primo passo consiste nel mostrare che la corrente è determinata da una proprietà interna della batteria come pure dalla distribuzione delle resistenze nel circuito esterno. La creazione del concetto di "differenza di potenziale" è di per sé un’impresa delicata.