Attività legge di Ohm: piano di 2 lezioni con LED e resistenze

Una buona attività sulla legge di Ohm non parte dalla formula scritta alla lavagna da imparare a memoria, ma da una previsione che gli studenti verificano poi nel loro circuito. Il piano di questo articolo occupa due lezioni (2 × 40 minuti) e ha quattro passaggi: prevedere (quale resistenza fa brillare di più il LED?), calcolare (quanti milliampere scorrono secondo V = I × R?), osservare e misurare (quanto è luminoso il LED, che tensione legge Arduino?) e confrontare (perché previsione, calcolo e misura sono vicini ma non uguali?). Quando lo studente ha usato la formula con le proprie mani, ricorda cosa significano V, I e R per esperienza e non a memoria.

Qui non ripetiamo la teoria: la formula, le unità di misura e il calcolo della potenza sono in cos'è la legge di Ohm, mentre come funzionano una resistenza e un LED è spiegato in cos'è una resistenza e cos'è un LED. Questo articolo si concentra su ciò che porti in classe: obiettivi di apprendimento, tabella dei materiali per una classe di 24, scaletta minuto per minuto delle due lezioni, uno sketch Arduino di misura breve e compilabile, un modello di tabella delle misure, una scheda di 6 domande con soluzioni, le misconcezioni più comuni e idee per differenziare tra gruppi veloci e più lenti.

Come funziona l'attività: prevedere, calcolare, misurare, confrontare

Lo scopo di questo ordine è trasformare la formula da macchina delle risposte a strumento di verifica. Se uno studente sbaglia la previsione al primo minuto (molti diranno «la resistenza più grande è più forte, quindi il LED brilla di più»), non è un problema: è il materiale della lezione. Vedere con i propri occhi la propria previsione smentita nella seconda lezione resta impresso molto più che leggere la stessa cosa alla lavagna. Anche lavorare con un solo colore di LED (rosso) per tutta l'attività è una scelta voluta: se l'unica variabile è la resistenza, gli studenti vedono chiaramente cosa cambia cosa. Gli altri colori restano attività di approfondimento per i gruppi veloci.

Obiettivi di apprendimento e prerequisiti

• Legge il valore di una resistenza a quattro fasce dal codice colori e lo verifica con un'app.
• Calcola la terza grandezza in V = I × R quando ne conosce due e converte correttamente milliampere e kiloohm.
• Spiega che un LED ha bisogno di una certa tensione diretta per accendersi e che la tensione sulla resistenza è quella di alimentazione meno questo valore.
• Dimostra con l'esperimento che una resistenza più grande dà meno corrente e un LED meno luminoso, e indica almeno due motivi della differenza tra valori calcolati e misurati.
• Ricava dalla tabella delle misure che un LED non si comporta come una resistenza: la sua tensione cambia pochissimo mentre la corrente si moltiplica.

Come prerequisito basta che gli studenti abbiano sentito parlare di tensione, corrente e resistenza. Il piano funziona anche con una classe che non ha mai visto la formula; allunghi solo di qualche minuto la parte del triangolo nella prima lezione. Aiuta molto se sanno collegare due componenti in serie sulla breadboard. Se non lo sanno, mostra nella lezione precedente, come riscaldamento di cinque minuti, lo schema dei collegamenti interni di cos'è una breadboard. Non serve esperienza con Arduino: puoi caricare tu lo sketch della seconda lezione in anticipo, e gli studenti aprono solo il Monitor seriale e leggono i numeri. Il piano è pensato per la scuola secondaria di primo grado e il primo biennio delle superiori, ma lo stesso schema funziona negli istituti tecnici e professionali e nei laboratori introduttivi di elettronica.

Elenco dei materiali: per gruppo e per una classe di 24

Opzione senza multimetro: l'ingresso analogico di Arduino Uno trasforma 0–5 V in un numero tra 0 e 1023, quindi la scheda è allo stesso tempo sorgente a 5 V e voltmetro semplice. La seconda lezione di questo piano è costruita proprio così; il multimetro è solo un extra per i gruppi che vogliono sapere «quanti volt dà davvero il pin 5 V?» o misurare direttamente la corrente. Se hai qualche multimetro, puoi fare la misura di corrente come dimostrazione alla cattedra; la portata giusta e dove collegare i puntali li spieghiamo in come usare un multimetro. Se non hai né Arduino né multimetri, la prima lezione resta uguale e nella seconda fai solo l'esperimento di luminosità, lasciando vuote le colonne delle misure.

1ª lezione (40 minuti): previsione e calcolo

Non dire la risposta alla domanda di avvio; raccogli le schede di previsione e conservale per la seconda lezione. Una parte della classe dirà «1 kΩ è più grande, dà più energia», un'altra farà la previsione giusta motivandola con «la resistenza frena la corrente». Quando alla fine della seconda lezione si rileggono le motivazioni dei due gruppi, la discussione parte da sola. Nella parte sul codice colori gli studenti leggono le fasce e controllano il risultato sul telefono con lo strumento Codice colori; lo strumento non serve a leggere al posto loro, ma a confermare la loro lettura. Per questo fissa la regola fin dall'inizio: prima su carta, poi si controlla.

Nella parte del triangolo non far memorizzare la formula in tre versioni; basta un triangolo. Coprendo con il dito la grandezza cercata, le due lettere rimaste sono affiancate (moltiplicazione) o una sopra l'altra (divisione). Tre esempi che proponiamo: 5 V e 1 kΩ, quanti mA (5 mA)? 2 V e 10 mA, quanti ohm (200 Ω)? 20 mA e 150 Ω, quanti volt (3 V)? Gli studenti controllano il risultato inserendo due valori nello strumento Legge di Ohm. L'errore più frequente riguarda le unità: chi scrive 10 invece di 10 mA ottiene un risultato assurdo come 0,2 Ω. Per intercettarlo, chiedi ad alta voce a ogni esempio: «il risultato ha senso?».

La parte sul LED è il cuore dell'attività. Spiega che un LED non si accende un po' a qualsiasi tensione come una lampadina: un LED rosso non lascia passare quasi corrente sotto 1,6–1,7 V, mentre intorno ai 2 V la corrente sale molto in fretta. Per questo, dei 5 V della sorgente, circa 2 V restano sul LED, i 3 V rimanenti cadono sulla resistenza e sono proprio questi 3 V a stabilire la corrente. Fai cercare i valori tipici per colore nello strumento Tensioni dei LED; per il rosso indica circa 1,85 V, e in classe arrotondiamo a 2 V per semplificare il calcolo. Questa piccola differenza offre una buona domanda: con 220 Ω sono 13,6 mA o 14,3 mA? Entrambe significano «circa 14 mA». Poi ogni gruppo calcola la corrente per le sue quattro resistenze, inserisce quella corrente nello strumento Resistenza per LED e vede che la resistenza suggerita è vicina alla propria. La tabella seguente è la tua chiave delle soluzioni; i valori sono calcolati con una sorgente a 5 V.

• Domanda di uscita 1: Chi fa passare più corrente, 220 Ω o 330 Ω? Motiva con un numero.
• Domanda di uscita 2: In un circuito a 5 V, se sul LED rosso ci sono 2 V, quanti volt ci sono sulla resistenza?
• Domanda di uscita 3: La tensione diretta di un LED blu è più alta di quella di un rosso. Con la stessa resistenza da 220 Ω, la corrente del LED blu aumenta o diminuisce?

2ª lezione (40 minuti): esperimento di luminosità e misura con Arduino

È importante che l'esperimento di luminosità parta da 1 kΩ: andando dal circuito più debole al più luminoso, gli studenti vedono meglio la differenza e gli occhi non si stancano. Dai una scala di luminosità comune: 1 «si vede a fatica», 3 «si vede bene con la luce dell'aula», 5 «dà fastidio guardarlo». Confrontare a occhio colori diversi inganna, perché l'occhio è più sensibile al verde che al rosso e al blu; a parità di corrente un LED verde può sembrare più luminoso. Confronta quindi la luminosità sempre all'interno dello stesso colore. Queste due lezioni si possono anche aggiungere come giornata extra al programma di laboratorio Arduino di 5 giorni; si inseriscono bene subito dopo la prima giornata sui LED.

Monta il circuito e trasforma Arduino in un voltmetro

1. Con il cavo USB scollegato, collega il pin 5V di Arduino a una fila della breadboard.
2. Inserisci una gamba della resistenza nella stessa fila e l'altra in una fila libera.
3. Inserisci la gamba lunga del LED rosso (anodo) nella stessa fila della seconda gamba della resistenza e la gamba corta (catodo) in un'altra fila.
4. Collega la fila del catodo del LED al pin GND di Arduino.
5. Porta un cavo dalla fila in cui si uniscono la resistenza e l'anodo del LED al pin A0 di Arduino.
6. Collega l'USB, apri il Monitor seriale a 9600 baud e scrivi nella tabella delle misure i due valori che arrivano ogni secondo.
7. Stacca l'USB, sostituisci la resistenza con la successiva e ripeti il passo 6. Non serve ricaricare lo sketch.

1// Ohm kanunu etkinliği: LED ve direnç gerilimini ölç / Ohm's law activity: measure LED and resistor voltage
2// Devre / Circuit: 5V -> direnç / resistor -> A0 + LED anot / anode -> LED katot / cathode -> GND
3const float VCC = 5.00;      // 5V pinindeki gerilim, multimetre varsa ölçüp yaz / voltage on the 5V pin, measure it if you have a multimeter
4const int SENSE_PIN = A0;    // direnç ile LED'in birleştiği nokta / node where the resistor meets the LED
5const int SAMPLES = 20;      // ortalaması alınacak okuma sayısı / number of readings to average
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  Serial.println(F("V_LED (V)   V_R (V)"));
10}
11
12void loop() {
13  long sum = 0;
14  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
15    sum += analogRead(SENSE_PIN);         // 0-1023
16    delay(5);
17  }
18  float raw = sum / (float)SAMPLES;       // ortalama okuma / average reading
19  float vLed = raw * VCC / 1023.0;        // LED üzerindeki gerilim / voltage across the LED
20  float vRes = VCC - vLed;                // direnç üzerindeki gerilim / voltage across the resistor
21
22  Serial.print(vLed, 2);
23  Serial.print(F("        "));
24  Serial.println(vRes, 2);                // akımı kağıtta bul: I = V_R / R / find the current on paper: I = V_R / R
25  delay(1000);
26}

Lo sketch di proposito non calcola la corrente: il Monitor seriale mostra solo la tensione sul LED e sulla resistenza, e gli studenti trovano la corrente su carta con I = V_R / R. Così la legge di Ohm viene usata ancora una volta alla fine della lezione, questa volta con una misura reale, e cambiando resistenza non c'è nulla da ricaricare. analogRead() converte la tensione su A0 in un numero da 0 a 1023; con riferimento a 5 V un passo vale circa 4,9 mV. Per una classe che non ha mai visto come si legge questo numero, l'esempio di lettura analogica in cos'è un potenziometro è una buona preparazione. Poiché lo sketch fa la media di 20 letture, i numeri sullo schermo non saltano. I 5 V dell'USB sono di solito tra 4,7 e 5,1 V; se hai un multimetro, misura una volta tra 5V e GND e scrivi il valore nella riga VCC: le due colonne diventano più precise di qualche punto percentuale.

La tabella degli studenti sarà più o meno così: scendendo da 1 kΩ a 220 Ω la corrente aumenta di quattro o cinque volte e il voto di luminosità passa da 1–2 a 4–5, ma la tensione del LED sale solo di pochi decimi di volt, restando di solito tra 1,8 e 2,0 V per un LED rosso. È il momento più prezioso della lezione, perché gli studenti vedono con i propri numeri che un LED non si comporta come una resistenza: applichiamo la legge di Ohm alla resistenza e trattiamo il LED come un componente che si prende una tensione quasi fissa. Una differenza di pochi punti percentuali tra calcolo e misura è normale; lascia che siano gli studenti a trovarne le cause. Risposte attese: la tensione dell'USB non è esattamente 5 V, le resistenze hanno una tolleranza del ±5%, la tensione diretta reale del LED è diversa dai nostri 2,0 V arrotondati e un passo della lettura analogica vale circa 5 mV.

Scheda di lavoro: 6 domande e soluzioni

Misconcezioni frequenti e come correggerle in classe

Le prime due misconcezioni sono le più ostinate. Contro «la resistenza consuma corrente» la dimostrazione con il multimetro è la più convincente; senza multimetro, mostra che le due tensioni nel Monitor seriale sommate danno sempre quasi esattamente 5 V e spiega che è la tensione che si divide in un circuito in serie. È un'introduzione naturale alle leggi di Kirchhoff e si può dare come compito agli studenti più curiosi. Smonta «la resistenza non serve» con il calcolo, non bruciando un LED: vedere la corrente crescere al diminuire di R, fino a diventare indefinita a zero, colpisce abbastanza.

Differenziazione: gruppi veloci e più lenti

• Gruppo veloce, serie e parallelo: Due 220 Ω in serie (440 Ω, circa 6,8 mA) e due 1 kΩ in parallelo (500 Ω, circa 6,0 mA). Prima fai prevedere quale brillerà di più; risultano quasi uguali e la sorpresa genera una bella discussione. Possono verificare la resistenza equivalente con lo strumento Serie / parallelo. Questo strumento è Premium; senza abbonamento si apre come vetrina di Calcolo di esempio, e per calcolare con i propri valori serve Premium. Le formule sono in calcolo delle resistenze in serie e in parallelo.
• Gruppo veloce, una resistenza al posto del LED: Togli il LED e metti al suo posto una seconda 1 kΩ; A0 legge circa 2,5 V. Con 220 Ω sopra e 330 Ω sotto (al posto del LED), A0 legge 5 × 330 / 550 = 3,0 V. Fai confrontare nella loro tabella come la tensione cambia in proporzione alla resistenza, mentre sul LED restava quasi costante.
• Gruppo veloce, cambia colore: Fai ripetere la misura con un LED blu, verificare con la misura i circa 7,7 mA calcolati con 220 Ω e spiegare attraverso la tensione sulla resistenza perché il LED blu assorbe meno corrente. Dalla misura possono anche capire se il loro LED verde è del tipo vecchio (circa 2,2 V) o verde puro (circa 3,2 V).
• Gruppo più lento, circuito pronto: Consegna al gruppo la breadboard con la resistenza da 330 Ω e il LED rosso già montati e il cavo di A0 collegato. Gli studenti cambiano solo la resistenza, scrivono due tensioni e fanno un'unica operazione: I = V_R / R.
• Gruppo più lento, scheda dei passaggi: Metti sul banco una scheda con il triangolo V = I × R e la riga «5 V − tensione del LED = tensione della resistenza». Chi non sa ancora leggere il codice colori inserisce prima i colori nello strumento Codice colori e alla seconda prova fa la lettura da solo.

Lista di controllo prima della lezione

• Lo sketch di misura è caricato su ogni Arduino e il Monitor seriale è stato provato una volta a 9600 baud.
• È stato verificato che i cavi USB sono cavi dati (un cavo di sola ricarica non fa vedere la scheda al computer).
• Le bustine con le resistenze sono pronte e senza valori scritti; la 100 Ω è sulla cattedra.
• Le gambe dei LED non sono tagliate e quella lunga si riconosce come anodo; ogni gruppo ha un LED rosso di scorta.
• Scheda di previsione, tabella delle previsioni, tabella delle misure e scheda di lavoro sono stampate per 24 studenti.
• BlueGrays è installata sui telefoni degli studenti e la schermata Strumenti si apre; i quattro strumenti della lezione sono stati provati una volta.
• Se si usa un multimetro, sono stati controllati la pila e il fusibile della portata in corrente.

Come usare BlueGrays in questa attività

• Strumenti gratuiti: Codice colori, Legge di Ohm, Resistenza per LED e Tensioni dei LED sono tra gli strumenti gratuiti. Si aprono dalla scheda Strumenti del menu in basso. Gli studenti fanno prima il calcolo su carta e poi lo verificano con lo strumento; serve a confermare il proprio calcolo, non a dare la risposta.
• Progetto LED lampeggiante: LED lampeggiante è del tutto gratuito: schema del circuito, elenco dei componenti, codice sorgente, vista a blocchi con Mostra a blocchi e Capire il codice sono aperti. In una terza lezione, accendere il LED questa volta da un pin digitale e scegliere la resistenza con il proprio calcolo è il seguito naturale dell'attività.
• Domande del giorno: Ci sono circa 400 domande su 6 livelli; tra gli argomenti c'è Elettricità e tra i tipi di domanda ci sono Calcolo e Circuito. Ogni giorno arriva un nuovo set che richiede circa 3 minuti. Per la settimana tra le due lezioni, il compito «risolvi il tuo set ogni giorno» offre un buon ripasso. L'app non ha un pannello di classe che mostri i punteggi all'insegnante; se vuoi tenerne traccia, chiedi agli studenti di portare in classe i risultati della settimana.
• Se ti serve Premium: Se vuoi usare con tutta la classe strumenti Premium come Serie / parallelo o progetti Premium, in codici Premium per la classe spieghiamo come funziona distribuire codici da un pacchetto per insegnanti invece di un abbonamento per studente. Tutta questa attività si può svolgere con gli strumenti gratuiti.

Dopo due lezioni, gli studenti non hanno una formula imparata a memoria, ma la propria scheda di previsione, una tabella calcolata e misurata da loro e la propria risposta scritta a «perché la mia previsione non si è avverata?». La prossima volta che incontreranno la legge di Ohm, ricorderanno i numeri di quella tabella. Se il giorno prima installi l'app BlueGrays sul tuo telefono e provi una volta i quattro strumenti gratuiti e il progetto LED lampeggiante, saprai in anticipo cosa vedranno gli studenti sui loro schermi.