didattica con Scratch
Sono articoli che propongono l'utilizzo di Scratch nella didattica delle discipline scientifiche e giù di lì (STEM)
Scratch può essere uno strumento potente per migliorare la didattica sia in fase di produzione che in fase di utilizzo di progetti costruiti apposta per supportare l'azione di spiegazione prima e sperimentazione dopo.
Tramite il menù si trovano i diversi progetti suddivisi per ambiti disciplinari.
Ulteriori esempi sono pubblicati nel sito https://sites.google.com/view/mbts-club/home-page
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Scratch è dotato di diversi strumenti adatti allo svolgimento di esercitazioni nelle discipline matematiche.
Oltre alle operazioni aritmetiche sono disponibili anche funzioni matematiche e trigonometriche senza contare la possibilità di disegnare grafici su di un piano cartesiano 481*361.
Alcuni semplici applicazioni sono rappresentate da progetti disponibili nella pagina personale del sito di Scratch e sono riprese qui sotto.
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Con un gioco postato nel sito "MBTS-club" si creano onde circolari sull'acqua con un robot che avanza a velocità diverse.
Il robot galleggaindo produce onde che si allontanano formando cerchi sempre più ampi.
Se il robot si muove anche il punto di nascita delle onde si muove generando onde non più concentriche fino ad averea velocità elevata onde che generano la caratteristica scia a "V".
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Nel sito "MBTS-club" si indaga sul fenomeno della rifrazione facendo muovere un robot che deve raggiungere un bagnante in acqua il più in fretta possibile.
Il robot può avanzare ad alta velocità sulla spiaggia ed a velocità ridotta quando è in acqua per cui è necessario trovare il punto ideale di ingresso per minimizzare il tempo di intervento per il soccorso.
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Il progetto di Scratch "lanciatore" è utilizzabile per conoscere e sperimentare la messa in orbita dei satelliti.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola la posizione usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton e le leggi della meccanica (sempre di Newton).
Per vincere l'attrazione gravitazionale terrestre in modo da potersi lanciare nello spazio alla caccia di nuovi mondi o anche solo per piazzare in orbita un satellite artificiale non si usano i cannoni come proposto nell'articolo delle cannonate. Quell'articolo è servito per mostrare che la velocità, in modulo e direzione e comunque sia stata impressa, è un requisito sufficiente per definire la traiettoria nello spazio circostante la Terra.
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Con questo articolo sulla caduta dei gravi intendo affrontare una questione che riguarda il comportamento relativo di corpi in caduta libera.
È stato appositamente costruito il progetto di Scratch "gravi in caduta libera" nel quale si simula la caduta di un grave implementando la legge del moto uniformemente accelerato con il metodo numerico con l'aggiunta di animazioni per meglio rappresentare la situazione sperimentale.
Si sa che un grave, un corpo dotato di massa, cioè tutti i corpi materiali, se si trovano in un campo gravitazionale accelerano verso il centro di attrazione e se non ci sono attriti od ostacoli raggiungono velocità elevatissime.
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Invece di un'animazione, come alcune usate per l'articolo "La caduta libera", si possono realizzare con Scratch delle simulazioni che permettono di effettuare esperimenti e misurazioni su eventi riprodotti utilizzando il calcolo numerico.
Con il progetto di Scratch "caduta in aria" si può ricostruire ll moto un grave a in prossimità della superficie terrestre e vedere cosa accade nel caso ci sia il vuoto per confrontarlo con un moto più realistico in presenza di aria con diversi coefficienti di attrito.
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Per rappresentare in altro modo quanto accade a proposito dell'attrazione gravitazionale terrestre e della caduta dei gravi in genere, si possono costruire dei progetti di Scratch che prendono in considerazione delle cannonate o comunque delle situazioni nelle quali un oggetto, un proiettile, viene lanciato o "sparato" a velocità in diverse direzioni per vedere cosa accade, specialmente con velocità molto elevate, in presenza della sola gravità.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola la posizione usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
L'artificio della cannonata ha solo una valenza suggestiva in quanto i ragionamenti che ne conseguono sono indipendenti dalla causa che ha portato il proiettile a trovarsi in quella data posizione, velocità e direzione: l'evoluzione della traiettoria dipende solo dalla posizione, dalla velocità, dalla direzione e dalla gravità, non dalla causa che l'ha prodotta.
Ovviamente si tratta di simulazioni matematiche ottenute come al solito integrando spostamenti calcolati su brevi intervalli di tempo (nota 1).
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Lanciare missili con Scratch e anche farli atterrare.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola la posizione usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Con il progetto di Scratch "Missili" si sperimentano situazioni in cui un missile viene lanciato in verticale utilizzando dei motori a razzo tenendo conto dell'attrito in atmosfera, della variazione della gravità g con la quota e della diminuzione della massa del missile dovuta al consumo di propellente.
Si possono fare anche considerazioni sulle sollecitazioni che subisce un astronauta che si trova dentro il missile e sulla caduta libera.
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Il progetto di Scratch "pianeti" è stato realizzato per osservare le orbite dei pianeti del Sistema Solare integrando l'equazione della gravità universale per ciascun pianeta trascurando l'interazione fra i pianeti.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola la posizione usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Si preme [tasto I] e poi [tasto P] per osservare il moto orbitale dei quattro pianeti rocciosi.
Prima di avviare il moto si può modificare la scala con i tasti [3] o [4] per comprendere anche l'orbita di Giove e [5] o [6] per vedere Saturno.
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(Nuova versione, rifatta a febbraio 2022)
Con Scratch 3 è stata realizzata una simulazione da usare per calcolare con metodi numerici la traiettoria che percorrerà un oggetto spaziale che viene lanciato all'interno di un campo gravitazionale con una velocità fissata dall'utente.
Una volta che l'oggetto è stato posizionato nei dintorni della Terra sono possibili diverse evoluzioni a seconda della posizione, della velocità e della sua direzione iniziali.
Sarà la legge della gravitazione a fissare l'evoluzione della traiettoria.
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(rivisto il 3 feb 23)
Per insegnare astronomia a scuola può essere utile disporre di esemplificazioni cinematche da usare come strumento illustrativo.
Di sicuro esporre a voce non è efficace, ci si serve almeno di disegni alla lavagna. Meglio usare diapositive che illustrano meglio e con più cura quanto si sta spiegando.
Ancora meglio usare esempi che mostrano i movimenti.
Con questo articolo si mettono a disposizione sia simulazioni che animazioni.
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Un corpo può orbitare intorno ad un altro corpo che sta a sua volta orbitando intorno ad un altro corpo?
Cimproviamo con questo progetto di Scratch che non è una animazione ma una simulazione che calcola le posizioni usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Con il progetto di Scratch "orbite in orbita" si fanno prove con masse confrontabili o masse molto diverse per vedere se si può sperimentare un'orbita stabile e soprattutto apprezzare la massima distanza a cui questo possa accadere prima che l'altro oggetto faccia prevalere la propria influenza gravitazionale.
Il progetto di scratch "orbite in orbita" utilizza il progetto base dei tre corpi per simulare una situazione nella quale due corpi A e C in orbita reciproca sono interessati da un terzo corpo B che si vuole fare orbitare intorno ad uno di essi.
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Delle traiettorie seguite da tre corpi legati gravitazionalmente si sa che non esiste una soluzione analitica.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola le posizioni usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Lo studio di queste traiettorie è molto complesso (nota 1) e per risolverlo si utilizzano soluzioni numeriche.
Ho provato a simulare con Scratch l'evoluzione dei tre corpi in interazione gravitazionale implementando la legge di Newton il cui risultato è dato da questo progetto "gravitazione di tre corpi: base" (usare turbo mode).
Nel progetto un corpo ha massa molto minore degli altri due e la sua traiettoria è di impossibile descrizione analitica mentre le altre due sono orbite ripetendosi in continuazione seppur traslate.
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In un articolo precedente 
è stata illustrata la costruzione del progetto di Scratch "gravitazione di tre corpi: base" per simulare il moto di tre corpi legati gravitazionalmente.
Non è una animazione ma una simulazione che calcola le posizioni usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Per esaminare la bontà del progetto si dovrebbero confrontare i risultati con quelli ricavati da programmi più evoluti e professionali ma non mi è possibile farlo.
È possibile però ricostruire traiettorie già studiate in altre occasioni per vedere se perlomeno vengono ripetuti i risultati.
Nel fare questo ci si trova ad affrontare alcuni problemi prima non considerati che in questo articolo vado ad illustrare.
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Un pianeta può orbitare stabilmente intorno ad un sistema binario di stelle?
Non è una animazione ma una simulazione che calcola le posizioni usando esclusivamente l'espressione della legge della gravità di Newton.
Il progetto di Scratch “un sistema binario e un terzo corpo” è stato costruito per considerare il moto orbitale di due corpi A e C di massa paragonabile, un sistema binario quindi, in prossimità del quale si muove eventualmente un terzo oggetto B di massa molto inferiore se non trascurabile (nota 1).
Si può immaginare che i corpi A e C siano stelle di un sistema binario ed il corpo B sia una cometa o un asteroide o un pianeta.
Il progetto di Scratch è basato sull’implementazione della legge di gravitazione universale di Newton come illustrato nell’articolo "Sulla gravitazione di tre corpi". In quell'articolo ci si è occupati di mettere a punto un modo di costruire il moto di tre corpi che si attraggono gravitazionalemente con metodi numerici visto che quelli analitici non danno soluzioni esplicite che permettano di ricostruire le traiettorie (nota 2).
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Una trasmissione Bluetooth è uno scambio di segnali elettromagnetici fra due componenti accoppiati.
Un po' come i segnali di luce che si scambiavano le navi da guerra oppure i segnali di fumo degli indiani.
Materialmente passa luce ed il messaggio era costituito dalle sue variazioni.
Con Bluetooth "passano" onde elettromagnetiche ed il segnale è dato dalle variazioni della sua frequenza.
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L'ora, la velocità, la temperatura, la distanza ... sono tutte grandezze fisiche che si usano quotidianamente senza essere dei fisici.
In molte circostanze capita di constatare che alcune di queste grandezze fisiche vengano espresse in forma analogica o in forma digitale (nota 1).
Anche persone non avvezze a misurazioni usano questie parole con disinvoltura, ed anche con proprietà.
Cosa significa "analogico" e cosa significa "digitale"?
L'articolo cerca di rispondere a questa domanda.
In aggiunta vengono considerati altri termni che spesso sono usati al posto dei precedenti: "continuo" e "numerico"
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Tra le potenzialità di Scratch c'è quella di poter simulare il funzionamento di un robot.
Per imitare il comportamento di un robot occorre fare un cambio di sistema di riferimento.
Normalmente lo sprite viene mosso dal nostro punto di vista che vede forme e direzioni "da fuori" come se guardassimo dall'alto i movimenti dello sprite, mentre un robot deve muoversi ed esplorare lo spazio circostante guardando lo spazio "dal di dentro" come avviene nello spazio a due dimensioni del libro "Flatlandia" di E. A. Abbott.
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A questo 
un progetto di Scratch per vedere animazioni con le coordinate cartesiane e polari (alla moda dei matematici. nota 1).
Funzionamento
Si inseriscono le coordinate di un punto in modalità cartesiane o polare e poi si attivano diversi modi di pervenire al punto individuato.
(Le istruzioni sono disponibili nel progetto stesso).
Di seguito vengono presi in considerazione alcuni aspetti riguardanti l'uso delle coordinate in relazione ai diversi sistemi di riferimento.
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Con Scratch è possibile mettere a punto delle esercitazioni che utilizzano numeri casuali.
La simulazione del lancio di un dado o del gioco con la roulette o l'estrazione di un numero della lotteria possono essere occasioni per fare esperienza con il caso e con la possibilità di vincere.
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Con Scratch si possono estrarre numeri a caso utilizzando la funzione "numero a caso".
Facendo click sulla funzione esce sempre un numero compreso fra i due estremi dichiarati sempre nella stessa funzione.
Il numero estratto (il 7 della figura) è imprevedibile e questo può consentire la creazione di giochi nei quali l'imprevedibilità è un requisito.
Qui si simula il gioco dei dadi.
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Uno sviluppo ulteriore del gioco con un dado esaminato in questo articolo e poi in questo , consiste nel vedere come si distribuiscono la medie del numero di lanci utili per azzeccare il numero prescelto per vincere.
Si fanno molte giocate per calcolare la "media delle medie" e la deviazione standard.
Viene anche disegnato l'istogramma delle medie ricavate in ogni sessione di 10 giocate.
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Nell'articolo "giocare con un dado (1)" è stato utilizzato un progetto di Scratch per simulare il lancio di un dado e vedere cosa accade con molti tentativi.
La simulazione ha permesso di scoprire che il numero medio di lanci da effettuare per azzeccare un numero prescelto è 6.
Con un altro progetto si approfondisce l'argomento.
Il progetto "quanti lanci con un dado?" sviluppa l'esperimento in quanto si effettuano giocate simulate con il solo scopo di trovare il valore medio di lanci da fare per azzeccare un numero scelto dal giocatore.
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Il libro "QED" di Richard Feynman prosegue con il capitolo "I fotoni: particelle di luce" nel quale si accinge a calcolare la probabilità che un fotone colpisca un rivelatore dopo essere stato emesso da una sorgente ed essere stato riflesso da uno specchio.
Non viene dato per scontato che sia solo la parte centrale dello specchio a produrre la riflessione ed, anzi, riprende quanto prevede la teoria quantistica: "Principio fondamentale: la probabilità che un evento si verifichi è data dal quadrato della freccia risultante ottenuta tracciando un freccia per ciascun modo in cui l'evento può avvenire e poi combinando (sommando vettorialmente) le frecce." (nota 1).
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Continuando a scorrere il primo capitolo del libro "QED" di Richard Feynman, ad un certo punto leggo: "Adesso divertiamoci un po' e proviamo ad 'imbrogliare la luce', facendo in modo che tutti i percorsi richiedano lo stesso tempo".
La figura a lato mostra che ci sono percorsi di lunghezza differente a seconda che ci si trovi vicino o lontano dalla retta
congiungente la sorgente con il rivelatore.
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Visto che il "giocattolo" realizzato con Scratch sembra funzionare, in questo articolo si propone una variante al progetto usato per gli specchi per indagare sul comportamento dei fotoni quando passa da un mezzo trasparente ad un altro con diverso indice di rifrazione.
Il progetto di Scratch "QED 03: rifrazione" realizza questo esperimento.
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Dopo aver letto il libro "QED" di Richard Feynman, scritto per divulgare alcuni risultati della sua teoria applicata alla meccanica quantistica, ho deciso di provare a riprodurre quanto lì descritto usando Scratch.
Con la presunzione di mostrare che Scratch non è solo roba da bambini (nota 1) ho realizzato alcuni progetti per provare a costruire gli esperimenti proposti nel libro.
La luce ha caratteristiche ondulatorie o corpuscolari?
Nelle lezioni sulla QED (Quantum Electro-Dynamics) Feynman mostra che molti fenomeni che riguardano la luce si possono spiegare anche con la teoria corpuscolare inventandosi il marchingegno dell’orologio associato al fotone (nota 2).
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Un quarto progetto di Scratch, sulla scia dei precedenti e con l'idea di completare i ragionamenti proposti sul libro "QED" da Richard Feynman ed. Adelphi, viene qui presentato per verificare se e perché la luce vada in linea retta e se sia sempre così.
Il metodo proposto da Feynman consiste nel "costringere i fotoni ad andare da un punto ad un altro seguendo parecchi percorsi" (pag. 78).
Feynman immagina di tracciare una linea verticale, il cui significato fisico è nullo, per realizzare la sua idea di costringere i fotoni a passare per tutti i punti della linea per andare dalla sorgente al rivelatore.
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Il primo argomento trattato dal libro riguarda la riflessione della luce sulle due superfici di una lastra trasparente dove si scopre che entrambe le facce riflettono la luce solo che i due percorsi, quelli che chiamiamo raggi, sono di lunghezza differente e questo fatto produce sulla luce fenomeni di interferenza.
Il progetto"QED 01: lamina sottile" è stato realizzato per provare a ricostruire il comportamento della luce monocromatica su una lastra di vetro sottile.
Si scopre così che una luce bianca viene riflessa con colori che dipendono dallo spessore della lamina e così si vedono strisce iridescenti che sono l'effetto delle molteplici riflessioni che la luce subisce sulle due superfici che limitano la lamina.
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Con l'articolo CF 03 una fenditura si è visto che con una fenditura la luce vi passa attraverso e va in linea retta a colpire lo schermo formando una fascia illuminata pressapoco della stessa larghezza della fenditura.Viene confermata la regola che tutti conoscono: la luce viaggia in linea retta.
Cosa succede se la luce viene riflessa ll'indietro da uno specchio?
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Con l'articolo CF 03 una fenditura si è visto che con una fenditura la luce vi passa attraverso e va in linea retta a colpire lo schermo formando una fascia illuminata pressapoco della stessa larghezza della fenditura.Viene confermata la regola che tutti conoscono: la luce viaggia in linea retta.
Cosa succede se la luce deve attraversare un mezzo nel quale si propaga a velocità inferiore?
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Indagare su di un solo cammino è inutile, non si ottengono informazioni che servano alla ricostruzione del comortamento della luce.
Qualcosa di più si ottiene se si producono diversi cammini e si cerca di capire come si comporta la fase finale del fasore al termine di ciascuno dei percorsi.
La fase finale sarà sempre la stessa al termine del cammino?
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Cosa succede se tra la sorgente luminosa e lo schermo viene interposto un ostacolo, un muro opaco?
Che la luce nonraggoiunge in nessun punto lo schermo.
Se si produce una piccola fessura nell'ostacolo dove andrà a finire la luce?
Andrà dritta in linea retta o piegherà.
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Con l'articolo CF 03 una fenditura si è visto che con una fenditura la luce vi passa attraverso e va in linea retta a colpire lo schermo formando una fascia illuminata pressapoco della stessa larghezza della fenditura.
Se si applica il metodo dei cammini di Feynman a due fenditure vicine cosa si ottiene?
Si ottengono due bande illuminate alla distanza delle fenditure?
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Nell'articolo "Esperimenti di ottica" si vedono alcuni fenomeni di diffusione, riflessione interna, rifrazione ed anche il comportamento di una lente o una doppia fenditura senza spiegarne la ragione.
Con questo nuovo gruppo di articoli si utilizza il metodo sulla Somma dei Cammini proposto dal fisico Richard Feynman utilizzando Scratch per effettuare alcuni esperimenti sulla diffrazione, la doppia fenditura, la riflessione e la rifrazione.
Non si tratta di animazioni o riproduzioni che usano soluzioni analitiche ma di ricostruzioni basate sulla realizzazione di molti cammini che servono per ricostruire la curva si probabilità.
Nei precedenti articoli sulla QED di Richard Feynman manca la possibilità di trovare la distribuzione di probabilità del manifestarsi di una oggetto quantistico (un fotone, un elettrone …) in un dato punto.
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Cosa è un "Cammino di Feynman"?
È uno degli infiniti percorsi da indagare per scoprire dove il fotone potrà essere rivelato con una data probabilità.
Dato che non c'è tempo per tracciare percorsi in quantità infinita, negli esperimenti che seguono vengono usate linee spezzate con origine in un punto dove viene emesso il fotone, la sorgente S, e termine nel punto in cui c'è il rivelatore R.
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matematica 1 Conteggio articoli: 1
fisica 1 Conteggio articoli: 7
gravità Conteggio articoli: 5
Cadute, lanci, satelliti, asteroidi ...
astronomia Conteggio articoli: 7
La gravitazione di tre corpi Conteggio articoli: 4
Simulazione del comportamento di tre corpi attratti gravitazionalemente-
tecnologia Conteggio articoli: 2
robotica Conteggio articoli: 1
Ci sono articoli che recuperano alcune funzioni dei robot imitabili con Scratch.
matematica 2 Conteggio articoli: 5
Si propongono diversi argomenti di matematica che possono avvalersi dell'utilizzo di Scratch.
casualità Conteggio articoli: 3
fisica 2 Conteggio articoli: 13
QED di R. Feynman Conteggio articoli: 6
Esperimenti con Scratch sulla teoria corpuscolare della luce come viene presentata nel libro "QED" di Richard Feynman.
Cammini di Feynman Conteggio articoli: 7
Con l'utilizzo del metodo dei "Cammini di Feynman" si realizzano progetti per sudiare il comportamento dei fotoni con la doppia e la singola fenditura, nella riflessione e nella rifrazione.