The Scale Of The Universe [Video]

A febbraio 2012, pubblicavo un post su "The Large Stuff", il bellissimo video, realizzato da Michael e Cary Huang.

Nello stesso articolo, citavo "The scale of the Universe 2", una  straordinaria animazione  in formato flash.swf (anch'essa opera del citato duo di autori), che consente di avere una visione di insieme delle dimensioni relative al mondo in cui viviamo, dalla lunghezza di Planck (10^-35 m) alla dimensione stimata dell'Universo (10^27 m).

Di tale animazione è stato realizzato un video "The Scale Of The Universe (The Universe to Quantum Foam)", molto efficace per scopi educativi.

Da Una Molecola Ad Una Galassia - Dimensioni A confronto

Il filmato "Da una molecola ad una galassia" mette a confronto le dimensioni di oggetti di diversa grandezza, da alcuni familiari ad altri che non lo sono, iniziando da una singola molecola di acqua per finire alla più grande galassia conosciuta.

Gli oggetti considerati sono, dal più piccolo al più grande: molecola d'acqua, anticorpi, virus HIV, mitocondrio, globuli rossi, cellule uovo umane, chicco di riso, foglio di carta A4, essere umano, Statua della Libertà, Burj Khalifa (l'edificio più alto del mondo), Manhattan, Sao Paulo, Giappone di notte, pianeta Terra, Giove, Sole, Gamma Andromedae, VY Canis Majoris, il raggio del sistema solare (eliopausa), Nebulosa Eskimo, Nebulosa Aquila, Nebulosa di Orione, NGC 604, Grande Nube di Magellano, NGC 2207 / IC 2163 , IC 1101.

[Schede di laboratorio] La propagazione del calore per convezione

Si fornisce, ai colleghi di Scienze interessati, una scheda relativa ad un esperimento sulla propagazione del calore per convezione.


L'esperimento è già stato realizzato con una mia classe 3°.  La scheda contiene la descrizione dettagliata dell'esperimento, la discussione svoltasi con la classe sui risultati ottenuti e una nota didattica sulla natura della convezione dal punto di vista molecolare.


Cliccare qui per scaricare la scheda.


Buona consultazione. 

Temperatura E Calore: conclusione del percorso

Si conclude, con questo post, il percorso sperimentale su Temperatura, Calore e il problema particellare della materia.

Tranquilli ragazzi! Queste sono risorse per i "grandi"!

Ecco il problema che sarà affrontato!



Ipotesi

Diciotto, su venti compagni, affermano che la quantità di acqua evaporata sarà maggiore nel becker 2, esposto a fiamma più alta. Andrea e Sonia affermano, invece, che la quantità sarà uguale in  entrambi i becker.

Materiale:

 - 2 becker uguali termo - resistenti
 - 2 fornellini a gas
 - 2 termometri a mercurio
 - 2 retine frangi -  fiamma
 - 2 treppiedi metallici
 - 200 ml d’acqua di rubinetto x 2
 - 4 piastrelle di ceramica
 - 2 mollette di legno
 - fiammiferi



Procedimento

•Abbiamo versato 200 ml d’acqua di rubinetto in ciascuno dei due becker.
•Abbiamo inserito i termometri nell’acqua, sospendendoli con una molletta di legno appoggiata trasversalmente in cima a ciascun becker, facendo attenzione che non toccassero il fondo.
•Abbiamo posizionato ciascun becker sul relativo fornello, separato da questo per mezzo della retina frangi - fiamma.
•I fornelli sono stati posti su delle mattonelle di ceramica, che hanno fatto da isolante rispetto al piano del tavolo.
•Alle ore 11:24, abbiamo acceso contemporaneamente i due fornelli.
•Abbiamo regolato il fornello del  primo becker a fiamma più bassa di quella del secondo becker.
•Abbiamo iniziato l’osservazione rilevando le temperature dei due contenitori ogni due minuti, registrando i valori nella tabella 1 e realizzandone un grafico comparato.
•Nelle tabelle 2 e 3 abbiamo messo a raffronto i valori della temperatura con quelli progressivi del volume di acqua, rilevati in ciascuno dei due becker.
•Alle 11.50, abbiamo spento i due fornelli, continuando a registrare, nelle tabelle, i valori della temperatura durante il raffreddamento e quelli del volume dell’acqua.

Tabella 1

I dati, in realtà sono stati registrati fino alle ore 17.00

Con essi abbiamo realizzato il seguente grafico comparato.

Tabella 2

Becher 1( fiamma bassa)

Tabella 3

Becher 2(fiamma alta)

La temperatura anche qui è stata registrata fino alle ore 16.00.

Osservazioni:

- Il contenuto del primo becker non è andato in ebollizione  entro i limiti di tempo fissati, prima dello spegnimento dei fornelli, mentre il contenuto del  secondo sì.
- L’ebollizione è avvenuta a 99,5 °C, nel becker 2. Dal grafico comparato, risulta che l’aumento della temperatura nel primo contenitore è graduale, mentre la temperatura si innalza velocemente nel secondo contenitore.
- Osserviamo che le temperature iniziali, differenti di tre gradi centigradi nei due becker, si mantengono diverse fra di loro ma  quasi uguali a quelle iniziali, a raffreddamento avvenuto.
- Alle 12.04, dopo lo spegnimento dei fornelli, la temperatura del primo becker  si è abbassata di 20 °C, quella del secondo di 26 °C.
- Osserviamo che, nel becker 1, il volume dell’acqua decresce progressivamente a partire da circa 73 °C; precedentemente non abbiamo rilevato aumento di volume.
- Nel becker 2, esposto a fiamma più alta, si osserva un leggero aumento di volume, intorno agli 80 °C, che si mantiene finchè non inizia l’ebollizione.
- Dopo lo spegnimento dei fornelli, avvenuto alle 11.50, il volume dell’acqua continua a contrarsi in entrambi i becker.
- Alle 17, quando i sistemi si sono raffreddati a circa 24 °C, il volume del primo becker è di circa 175 ml, mentre il volume del secondo è di circa 160 ml.

 Discussione collettiva e conclusioni:

- Abbiamo discusso molto sul fatto che il volume dell’acqua non aumentasse in entrambi i contenitori con il procedere del riscaldamento, ma, ad un certo punto, soltanto nel becker 2.
- Altro punto di discussione: la diminuzione del volume dell’acqua nel primo becker, intorno ai 73 °C  senza il raggiungimento dell’ebollizione, mentre lo stesso fenomeno si è manifestato nel secondo becker a partire dall’ebollizione.
- Cominciamo a pensare che il modello particellare così semplificato, come lo abbiamo ipotizzato, non riesce a spiegare tutti i comportamenti oppure sì ma non ne cogliamo del tutto le implicazioni.
- Ci siamo resi conto che quando si studia un fenomeno sorgono sempre aspetti imprevisti, che fanno scaturire nuove domande.
- Comunque, i risultati finali osservati ci fanno concludere che l’ipotesi generale è giusta: la quantità d’acqua evaporata dipende dal calore fornito.


Becker 1 (fiamma bassa)

Vi = 200 ml
Vf = 175 ml
Vi – Vf = 200 ml – 175 ml = 25 ml


Becker 2(fiamma alta)

Vi = 200 ml
Vf = 160 ml 
Vi – Vf = 200 ml – 160 ml = 40 ml

- Il calore, dunque deve essere in relazione alla velocità acquistata dalle particelle: una maggiore quantità di calore “velocizza” l’evaporazione ;
- in tempi uguali, in masse uguali d’acqua, esposte ad una diversa intensità di fiamma, ‘si registra un passaggio allo stato aeriforme’  che dipende dalla quantità di calore assorbito dall’acqua.                                      

Altre domande aperte:

•Come mai, in alcuni punti c’è poca differenza tra le temperature dell’acqua nei due diversi becker?

•Perché il raffreddamento dell’acqua è così lento?

•Perché le temperature iniziali nei due becker, ancora una volta, sono diverse?

Nota didattica: l’argomento non è facile da trattare per il forte grado di astrazione che comporta l’immaginare un modello particellare della materia, all’età mentale peculiare dei ragazzi di seconda media. Pertanto, non mi pongo il problema di verificare con i ragazzi “che le particelle ci sono e si muovono”.
Quello che mi preme e che mi sono posto come obiettivo è che i ragazzi siano in grado di correlare tra loro una causa ( nella fattispecie le particelle) con un effetto ( i fenomeni di cui ci stiamo occupando) ricorrendo ad un modello che sia coerente con i fenomeni osservati e che nello stesso tempo sia ‘validato’ da questi stessi fenomeni, oggetto di studio.

E, secondo il mio punto di vista, naturalmente opinabilissimo, a 12/13 anni, perseguire un obiettivo del genere non è una cosa di poco conto.

Direi che i ragazzi, superata una diffidenza iniziale circa l’esistenza delle particelle, adesso non hanno messo più in discussione il fatto( dopo lo studio di alcuni fenomeni che , anche se in maniera indiretta, sono stati messi in relazione con la loro esistenza e con il loro comportamento, in situazioni particolari) e si sono appassionati alla tematica in un modo che non avrei immaginato, all’epoca della programmazione. " 

Bene il percorso è veramente finito!

Al prossimo post!

Temperatura E Calore: secondo esperimento

Nel post del 10 agosto "Temperatura E Calore: l'ipotesi del modello particellare della materia", era stato pubblicato l'esperimento  sull'ebollizione dell'acqua, svolto dai gruppi di alunni della classe 2° B per verificare sperimentalmente la bontà dell'ipotesi relativa al modello particellare della materia, da loro elaborata.

L'esperimento pubblicato in questo post si propone di continuare in tale verifica sperimentale.

Ecco il problema affrontato  dai ragazzi e descritto di seguito con le loro stesse parole.

IPOTESI

1) Per quattordici, su diciotto di noi, la quantità d’acqua evaporata è maggiore nel contenitore avente la superficie di evaporazione più estesa.
2) Per gli altri quattro, la quantità evaporata non cambia in relazione alla diversa superficie di evaporazione.

MATERIALE

-2 fornelli a gas
-2 treppiedi metallici
-2 retine frangifiamma
-2 termometri a mercurio
-2 mollette di legno
-200 ml di acqua x contenitore
- 1 becher e 1 una beuta graduati termo - resistenti
- 2 piastrelle in maiolica come supporto ai fornelletti



PROCEDIMENTO

- Abbiamo acceso contemporaneamente i due fornelli, regolando la fiamma alla stessa intensità, con la beuta e il becker precedentemente posizionati sui treppiedi e separati dalla fiamma mediante le retine .

- Abbiamo usato due mollette di legno per sorreggere i termometri a mercurio, facendo attenzione che  non toccassero il fondo ma che fossero immersi.

- Le mollette sono state appoggiate trasversalmente sul bordo,  all’imboccatura dei due contenitori.

- Abbiamo registrato i valori della temperatura, rilevata ogni due minuti in ciascuno dei contenitori, nella tabella seguente e abbiamo realizzato il grafico comparato.

- Abbiamo spento i fornelli contemporaneamente alle ore 11.58 

- Anche durante il pomeriggio, fino alle 17, abbiamo rilevato i dati durante il raffreddamento del liquido in entrambi i contenitori.

Se ne è occupato uno di noi, che, poi, li ha comunicati a tutta la classe.

In tabella, non sono riportati i dati che, in realtà, sono stati rilevati sino alle ore 17.00 con i seguenti risultati:

- becker : temperatura = 24  °C,  volume = 150 ml

- beuta: temperatura = 24 °C, volume = 160 ml

OSSERVAZIONI

• A 67 °C, il volume dell’acqua è aumentato nella beuta perché le particelle si allontanano, visto che il calore ne allenta i legami; mentre alla stessa temperatura l’acqua nel becker segna ancora il livello iniziale.
• L’acqua nella beuta è andata in ebollizione, prima di quella contenuta nel becker, alla temperatura di 100°C.
• L’acqua nel becker va in ebollizione alla temperatura di 99 °C.
• Alle ore 11.34 c’è stata una differenza di temperatura di 10 °C tra i due contenitori. Il vapore è condensato sulle pareti della beuta, ma non del becker.
• Il raffreddamento dell’acqua è più rapido nel becker.
• Raggiunta la stessa temperatura di raffreddameno, 24°C, il volume dell’acqua è di 150 ml nel becker, mentre è di 160 ml nella beuta.



CONCLUSIONI

Analizzando e comparando i risultati deduciamo che:

•a superficie maggiore corrisponde effettivamente una maggiore quantità di acqua evaporata.

• L’ipotesi fatta dalla maggioranza di noi si è, quindi, rivelata giusta.

INTERPRETAZIONE ALLA LUCE DELL'IPOTESI PARTICELLARE

Sì, i risultati ottenuti sperimentalmente ci sembrano in accordo con la nostra ipotesi particellare.

Immaginiamo, infatti, che l'apertura del becker e della beuta sia ‘come una porta’, da cui escono le particelle.
Se l'imboccatura è ampia (nel nostro caso il becker) ne escono in grande quantità; se è piccola (la beuta) ne escono poche per volta.

DOMANDE APERTE

1. Perché la temperatura rilevata inizialmente è diversa nei due contenitori?

2. Perché, a parità di pressione atmosferica, l’acqua ha bollito a 100°C nella beuta  e a 99 °C nel becker?

3. Perché a 67°C  l’acqua della beuta aumenta di volume, mentre, all’incirca alla stessa temperatura, non si osserva lo stesso fenomeno nel becker?

Con il prossimo post, concluderemo la pubblicazione dei risultati relativi a questa sperimentazione su Temperatura & Calore affrontando il seguente problema:

"La quantità di acqua evaporata dipende dalla quantità di calore fornito?"

Temperatura E Calore: ipotesi del modello particellare della materia

Nel post del 26 luglio scorso, eravamo rimasti all'intervista alla classe, mediante la quale i ragazzi avevano espresso la propria idea estemporanea circa il modello particellare della materia. Successivamente le varie idee erano state socializzate e raccolte in una specie di "summa" riguardante una possibile ipotesi del modello, che è descritto di seguito così  come è stato elaborato dagli alunni.

POSSIBILE IPOTESI DEL MODELLO PARTICELLARE

(Conclusioni alle quali è giunta la classe, dopo il confronto e la discussione collettiva)

LE PARTICELLE:

1. SONO SUBMICROSCOPICHE( termine coniato dai ragazzi)

2. SONO LEGATE: i legami sono forti nello stato solido, sono meno forti nello stato liquido, quasi inesistenti negli aeriformi.

3. SI MUOVONO: la velocità è minima nei solidi (vibrazione su posizioni fisse); aumenta nei liquidi; aumenta ancora negli aeriformi.

4. LA VELOCITÁ DELLE PARTICELLE È IN RELAZIONE ALLA LORO ENERGIA TERMICA

5. HANNO TUTTE LE STESSE DIMENSIONI( almeno per quanto riguarda la stessa sostanza).

6. NON SONO CONTINUE NELLA LORO DISTRIBUZIONE

7. CIRCA LA LORO FORMA, NON RIUSCIAMO A GIUNGERE AD UNA CONCLUSIONE  CONDIVISA, MA UNA BUONA PARTE DI NOI LE IMMAGINA DI FORMA PRESSOCHE’ SFERICA.

Abbiamo discusso molto  per arrivare a queste conclusioni e la prof. ci ha aiutato a fare ordine nei ragionamenti.

PERCHE' SIAMO GIUNTI A QUESTE CONCLUSIONI?

• Il primo punto è evidente: se non riusciamo ad osservarle con i microscopi a disposizione, le particelle devono essere veramente molto piccole.
• Per il secondo punto, abbiamo riflettuto sugli stati della materia e le conclusioni ci sono sembrate le più plausibili con quanto si osserva sul loro comportamento.
• Anche per il terzo punto, ci siamo riferiti al comportamento della materia nei tre stati. Infatti, se pensiamo ad un odore, questo si avverte anche molto lontano dalla fonte.
• Deve per forza esserci una relazione fra la loro velocità e il calore fornito, basta pensare ai passaggi di stato dell’acqua, che abbiamo già studiato.
• Abbiamo pensato che, almeno per uno stesso tipo di sostanza, le particelle dovrebbero avere le stesse dimensioni altrimenti cambierebbe la sostanza. Naturalmente potrebbe essere diversamente, ma siamo orientati a pensare in questo modo, non avendo prove.
• Questo lo abbiamo ipotizzato riferendoci alla diffusione di un liquido colorato nell’acqua o alla dissoluzione del sale e dello zucchero nell’acqua, tutti fenomeni che abbiamo già studiato.
• Questo punto ci ha fatto discutere molto e non siamo giunti ad una ipotesi condivisa. Un compagno sostiene che le particelle devono avere una forma sferica o similare perché con questa forma la materia si distribuisce in maniera omogenea e poi così occupa meno spazio. Una buona parte di noi  ha accettato la sua ipotesi ma altri sono scettici, anche se non hanno saputo offrire un’ipotesi alternativa.

Adesso disponiamo di un'ipotesi condivisa alla quale ci riferiremo, come a un possibile modello della struttura particellare della materia.

Proveremo a vedere se  e come funziona negli esperimenti, che faremo, o se, invece, dovremo apportare delle correzioni a tale modello.

*****                   

Nei prossimi post,saranno illustrati alcuni esperimenti, che sono stati interpretati dai ragazzi alla luce dell'ipotesi particellare, da essi formulata.

Attraverso tali esperimenti si è cercato di trovare conferma circa "la bontà" di tale ipotesi, confrontando il modello particellare con i dati sperimentali ottenuti e valutandone la coerenza con quello.

I problemi affrontati sono:

1. Osservare l'ebollizione dell'acqua e interpretare il fenomeno alla luce dell'ipotesi particellare.
2. A parità di altre condizioni( quantità di calore fornito, tempo di esposizione al calore), la quantità di acqua evaporata dipende dalla superficie di evaporazione?
3. A parità di altre condizioni( due becker uguali, volume iniziale d'acqua, tempo di esposizione alla fiamma) la quantità di acqua evaporata dipende dal calore fornito?

S i riporta qui il primo di tali esperimenti: L'EBOLLIZIONE DELL'ACQUA

MATERIALE

• 1 fornelletto a gas
• 1 treppiedi metallico
• 1 reticella frangifiamma
• 1 termometro a mercurio
• 1 molletta di legno
• 1 piastrella x supporto al fornello
• 1 beuta
• 250 ml di acqua



PROCEDIMENTO

- Abbiamo sistemato il fornelletto a gas sulla piastrella di ceramica per isolarlo dal fondo del tavolo da lavoro.
- Abbiamo posizionato il treppiede in modo che sormontasse il fornelletto.
- Abbiamo posto sul treppiede la reticella frangifiamma.
- Abbiamo sistemato la beuta sopra la reticella.
- Abbiamo acceso il fornello.
- Con il termometro, abbiamo misurato la temperatura iniziale e quindi abbiamo proseguito con il rilevamento ogni due minuti fino a raggiungere la temperatura di ebollizione dell’acqua, compilando la seguente tabella e realizzando il grafico relativo.
- Alle 12.08 abbiamo effettuato l’ultimo rilevamento e poi spento il fornelletto.

TABELLA

GRAFICO

OSSERVAZIONI

- La temperatura sale progressivamente al passare del tempo man mano che si fornisce calore.
- A  65°C circa, notiamo che il livello dell’acqua nella beuta è superiore a 250 ml nonostante l’evaporazione ‘porti via’ un certo quantitativo di sostanza.
- A 75°C , il vetro si appanna e scendono delle goccioline dal bordo lungo le pareti della beuta.
- A 90°C , il livello dell’acqua è ancora superiore a 250 ml nonostante la massiccia evaporazione.
- A 100°C l’acqua bolle e si osservano movimenti tumultuosi dell’intera massa, la superficie è interessata da una evaporazione al ‘top’.
- Per altri quattro rilevamenti, osserviamo che la temperatura rimane ferma a 100 °C; nonostante si continui a fornire calore alla beuta, c’è come una sosta nella temperatura(sappiamo già, perché lo abbiamo sperimentato, che la temperatura rimane con un pianerottolo a 100°C  finchè l’acqua non è evaporata del tutto).
- Abbiamo rilevato il livello dell’acqua, a pomeriggio, quando tutto il sistema si era  raffreddato a circa 21°C, ed abbiamo osservato che era sceso a circa 210 ml.

• Il fatto che, fra 65 °C e 90°C, il volume dell’acqua sia aumentato ci sembra in accordo con l’ipotesi particellare: infatti il calore assorbito dall’acqua serve a fare diventare più veloci le  sue particelle, che, acquistando energia, allentano i propri legami distanziandosi e quindi il volume complessivo aumenta.
• Il fatto che la temperatura rimanga a 100°C fino a quando l’acqua bolle e non si è trasformata completamente in vapore acqueo, si spiega con il fatto che il calore fornito serve alle particelle per rompere i legami e per passare allo stato aeriforme; anche questo sembra in accordo con l’ipotesi particellare.
• Anche il diminuito volume dell’acqua, a raffreddamento avvenuto, interrotta l’ebollizione, conferma che circa 40 ml di acqua si sono trasformati in vapore acqueo abbandonando lo stato solido, grazie al calore fornito.

DOMANDE RIMASTE APERTE:

1. Perché a 90°C, il volume dell’acqua è superiore a quello iniziale nonostante la massiccia evaporazione in atto?

2. La dilatazione del liquido è sufficiente a spiegare l’aumento di volume?

Il modello particellare dovrebbe permetterci di fare delle previsioni in merito. La prof. dice che cercheremo di dare delle risposte il prossimo anno riprendendo la sperimentazione.
Per la fine dell’anno porteremo avanti il percorso ipotizzato per non  rischiare di disperderci.

Per oggi si conclude qui! Il seguito al prossimo post.

Temperatura E Calore: Intervista alla classe

Nell'intervista alla classe, presentata di seguito, ciascun allievo ha espresso liberamente la sua idea estemporanea sul modello particellare.

Lo scopo dell'intervista è quello di far emergere, oltre alle prime costruzioni mentali sulla questione, anche le eventuali conoscenze acquisite in ambiti diversi e le possibili idee errate, per poterle correggere prima che diventino radicate.

IL MODELLO PARTICELLARE DELLA MATERIA: Indagine a ‘ruota libera’

La richiesta, molto semplicemente, è stata:
“ Descrivi, a parole o con schemi e disegni, la tua ‘idea’ delle particelle, anche sulla base dei fenomeni studiati e/o di quanto hai appreso indirettamente da libri o altri ambiti”.

La richiesta ha subito innescato un gran fermento nei ragazzi, che individualmente hanno fornito per iscritto le loro risposte.

Ho raccolto i fogli e letto, in classe, ad alta voce i singoli contributi.
Successivamente, ne abbiamo discusso collettivamente e abbiamo ricercato  una possibile mediazione di un modello unico e condiviso da tutti o, almeno, dalla maggioranza.

Ne è scaturita una "summa" sulle ‘caratteristiche’ delle particelle materiali, che è stata scritta dai ragazzi e documentata alla fine delle loro relazioni.

Dalla prossima volta realizzeremo degli esperimenti, che interpreteremo alla luce dell’ipotesi particellare fatta e, mediante i quali, cercheremo di trovare conferma circa la ‘bonta’ di tale ipotesi, confrontando il ‘modello’ particellare con i dati sperimentali ottenuti e la loro coerenza con quello.

Non sono state riportate tutte le descrizioni fornite dai ragazzi perché alcune erano simili.

Quelle selezionate, sono ‘grezze’ come i ragazzi le hanno prodotte, per rendere al massimo la spontaneità e l’ingenuità del loro pensiero.

GRUPPO ‘Gli avvoltoi’.
Pensando ai passaggi di stato dell'acqua, abbiamo immaginato un possibile modello particellare della materia, che ne riesca a spiegare gli stati fisici e i passaggi di stato.

 Abbiamo preso in considerazione i seguenti aspetti:
1. Immaginare fisicamente le particelle.
2. Se si muovono, se sono ferme.
3. Se sono vicine, se sono lontane.
4. Se sono continue, se sono sparse.
5. Sappiamo già che le particelle non si possono vedere con il microscopio ottico ed elettronico.

STATO SOLIDO
Le particelle, nello  stato solido, sono vicine, continue e potrebbero essere  ferme, ma secondo noi si scambiano di posto molto spesso.

STATO LIQUIDO
Nello stato liquido, le particelle sono lontane, si muovono e sono sparse a gruppi.

STATO AERIFORME
Quando passano allo stato aeriforme, le particelle si muovono molto e si disperdono, sono lontane fra loro e sono sparse.

FORMA DELLE PARTICELLE
Una particella è diversa da un'altra, quindi ogni particella ha una forma diversa però il colore è uguale, a parte alcune eccezioni.

GRUPPO "The Draimy"



GRUPPO "THE MAGNIFIC"

• Le particelle della materia solida, secondo noi, sono ferme, sono vicine e sparse nel loro ordine. Le immaginiamo molto piccole e quasi completamente attaccate.
• Le particelle della materia liquida si muovono più rapidamente, sono più lontane e continue. Le immaginiamo grigie e larghe.
• Le particelle della materia aeriforme si muovono, sono abbastanza lontane e sparse. Le immaginiamo sempre piccolissime.



IPOTESI DI R. C.
Per me le particelle sono di forma ovale, si muovono in ogni stato fisico, ma in diverso modo: nel solido di meno, nel liquido sono più libere e nell'aeriforme sono libere completamente.

Anche la distanza tra di esse cambia a seconda dello stato fisico: nei solidi sono più compatte, nei liquidi un po' di meno e nello stato aeriforme sono libere. In ogni stato sono continue e sub - microscopiche.

Rappresentazione grafica

IPOTESI DI G. F.
Secondo me le particelle  sono come delle sferette, unite tra loro da una specie di filo elastico, che permette ad esse di muoversi consentendo così i vari cambiamenti di stato.

Nella loro distribuzione sono, in alcuni casi, sparse come nello stato aeriforme, un po’ meno in quello liquido e continue nello stato solido.

Le particelle sono sub - microscopiche, cioè  non si possono osservare con i microscopi ottici ed elettronici; esse compiono i vari cambiamenti di stato, da solido a liquido, ovvero la fusione, e da liquido a quello aeriforme, ovvero l'evaporazione.

IPOTESI DI K.S.

IPOTESI DI V. V.
Le particelle potrebbero essere sferiche, legate tra loro da minuscoli filamenti elastici, che si allentano e si restringono quando queste si avvicinano o si allontanano.

Questi legami, essendo "elastici" permettono le oscillazioni delle particelle, che non sono statiche, ma si muovono nella materia.
Sono vicine tra loro quando lo stato è solido, sono abbastanza distanti allo stato liquido e lontane in quello aeriforme.

Durante i cambiamenti di stato i loro mutamenti sono graduali. Me le immagino raggruppate in piccole forme geometriche sparse qua e là.
Non si possono vedere né al microscopio ottico, né con quello elettronico; sono quindi sub - microscopiche.


Queste ipotesi sono scaturite dalle riflessioni sugli stati della materia e sui passaggi di stato dell’acqua, affrontati sperimentalmente dai ragazzi, in prima media.

Nel prossimo post, sarà presentato il modello particellare della materia ipotizzato dagli alunni dopo il confronto collettivo.

Alla prossima!

Temperatura E Calore: La scatola nera

Nel post precedente, eravamo rimasti alla necessità di ricercare un modello applicabile al nostro problema ovvero in grado di consentire previsioni circa l'ipotesi particellare della materia.

Sollecito i ragazzi a riflettere su cosa potrebbe essere un semplice modello, facendo passare di mano in mano un  barattolo chiuso, contenente acqua , senza che loro siano a conoscenza del contenuto.

Li invito ad indovinare cosa può esserci dentro.

Tutti rispondono che si tratta con certezza di un liquido, dallo sciacquio che percepiscono. Ma non possono prevedere altro, non riuscendo, ovviamente, a rilevarne né l’odore né il sapore.
Però, dato che sicuramente è un liquido, se forassero il barattolo, esso sgocciolerebbe fuori.

Quindi, da questo semplice modello (che il barattolo contiene un liquido) possiamo fare una previsione: la fuoriuscita del liquido se si fora il barattolo. Nessun particolare del modello ci ha fatto capire di che tipo di liquido si tratti.

Allora potrebbe funzionare nella stessa maniera un modello particellare della materia! Perché no?

I ragazzi sono combattuti.  A qusto punto annuncio che  faremo un esperimento un po’ più complicato di quello del barattolo: la scatola nera.

Li invito ad inventarsi un modello  per dare spiegazione del comportamento di una  “scatola nera “, dentro la quale metterò degli oggetti di cui dovranno indovinare l'identità. Le previsioni che faranno forse li potranno aiutare a comprendere meglio un modello della struttura particellare della materia.

Con i ragazzi sottolineo il fatto che la scatola è qualcosa di artificiale ma che potranno adoperarla per fare esperimenti, riflettere sui risultati ottenuti organizzandoli in un modello, che impiegheranno per fare previsioni (provando a verificarle) su altri esperimenti, fino a quando ne avranno voglia.

NOTA
La scatola nera è un modello conosciuto. Personalmente, l’ho appreso da una collega che insegna Chimica al biennio superiore, dove viene utilizzato, appunto, quando a proposito del modello atomico della materia, insieme ad altri modelli più complessi.
Ho pensato, che ad un livello semplificato, potesse essere impiegato con ragazzi più giovani e funzionare.

LA CONSEGNA:
Progettare e realizzare la scatola (una per ciascun gruppo, in cui inserirò personalmente degli oggetti sconosciuti che i ragazzi proveranno a indovinare) e fare tutti gli esperimenti che verranno in mente a ciascuno tranne quello di aprire la scatola, naturalmente.

METARIFLESSIONE PER I GRANDI: avere consapevolezza che il modello della scatola nera, come qualunque altro modello, è sempre “contaminato”, altrimenti cadremmo in una trappola su cui Calvino, più di 20 anni fa, scrisse delle belle parole che cito volentieri:

"Il modello è per definizione quello in cui non c’è niente da cambiare, quello che funziona alla perfezione; mentre la realtà vediamo bene che non funziona e si spappola da tutte le parti; dunque non resta che costringerla a prendere la forma del modello, con le buone o con le cattive.”

E’  chiaro come  i modelli, cui si riferisce Calvino, siano quelli pertinenti all’analisi e alla  descrizione delle dinamiche interattive sociali e più in genere umane, per comprenderne i comportamenti, ma credo che la citazione possa estendersi, con le differenze del caso, anche al nostro ambito di indagine.

Riporto di seguito l'esperienza originale, progettata e realizzata da uno dei gruppi di alunni.

ESPERIENZA CONDOTTA DA UNO DEI GRUPPI

SCOPO:
Scoprire cosa contiene la scatola e illustrare il modo in cui l'abbiamo costruita.

MATERIALE:
• colla
• scotch
• cartoncino nero
• forbici
• bastoncini da spiedo
• piccoli oggetti(da identificare)

PROCEDIMENTO:
• Abbiamo stabilito le dimensioni della scatola.
• Abbiamo ritagliato e piegato il cartone, lasciandone il necessario per un coperchio.
• Abbiamo costruito allo stesso modo anche quest'ultimo. Ci siamo ispirate alle scatole da scarpe e ne abbiamo costruita una simile.
• La professoressa ha infilato all'interno del contenitore dei piccoli oggetti(senza farceli vedere) e lo ha sigillato.
• Abbiamo fatto alcune supposizioni sul contenuto e scosso a lungo e in vari modi la scatola per sentirne il rumore.
• Abbiamo tentato di catturare un po' di materiale con uno  spiedo.

DATI SPERIMENTALI:
• Scatola: lunghezza 18 cm; spessore 10 cm; altezza 6 cm; stecchi da 20 cm.
• Coperchio:  lunghezza 18,5 cm; spessore 10,5 cm; altezza 3,5 cm.
• Rumore, rilevato con i sensi.

IPOTESI:
I rumori percepiti ci inducono a supporre la presenza di piccoli granelli (forse zucchero o sale ), di ferraglia (forse graffette o puntine da disegno), di plastica (elastici o pezzetti di biro). Il rumore è attutito da qualcosa, probabilmente cotone idrofilo.

RISULTATI OTTENUTI:
Abbiamo aperto la scatola per verificarne il contenuto, trovando:
• 1 graffetta
• 2 elastici piccoli
• 1 cerotto
• 1 puntina da disegno
• un po' di cotone idrofilo

VERIFICA DELL’IPOTESI E CONCLUSIONI : Le nostre supposizioni erano quasi esatte e quindi la scatola nera ha funzionato come strumento di previsione.

CONFRONTO DEI RISULTATI DEI VARI GRUPPI E DISCUSSIONE COLLETTIVA

Dopo che i gruppi hanno completato l’esperimento della scatola  nera, noi ragazzi abbiamo discusso tutti insieme (la prof. ci ascoltava pronta ad intervenire su nostra richiesta oppure quando era necessario raddrizzare qualche ragionamento che trasbordava o a frenare qualche volo troppo alto di fantasia) i risultati , dopo averli confrontati, di quello che all’inizio  ci era parso un gioco.

Ma “giocando” siamo arrivati a comprendere che, come la scatola nera ha funzionato da modello per fare delle previsioni anche se eravamo all’oscuro del suo contenuto, nello stesso modo possiamo costruirci un modello “particellare” che possa spiegare i fenomeni che abbiamo osservato sperimentalmente sugli stati della materia e sulle sue trasformazioni di stato fisico, anche se non siamo in grado di osservare le particelle medesime.

E’ quanto proveremo a fare le prossime volte, così ha detto la prof.

L'immagine, che vedete, è il modello della scatola nera  realizzato dal gruppo.

Allora,  cari visitatori, al prossimo post! Rimanete sintonizzati!

Temperatura & Calore: alla ricerca di uno stimolo iniziale

In attesa che si faccia sera per partire...le valigie sono già pronte e la macchina pure, continuo con la narrazione dell'esperienza su Temperatura e Calore, accogliendo la richiesta di Ruben e Artemisia;-).

Tenete d'occhio la mappa di sintesi, che trovate nel post precedente, per orientarvi nel percorso.

ALLA RICERCA DI  UNO STIMOLO INIZIALE

Non è stato facile trovare il modo di introdurre l’approccio microscopico nonostante all’epoca della programmazione dell’attività sembrasse abbastanza chiaro come procedere.

Ho dovuto mediare due istanze:

- non rischiare la caduta di interesse da parte dei ragazzi, riproponendo situazioni già affrontate;
- trovare un modo scientificamente corretto di affrontare il problema.

Quindi, per riprendere gli argomenti, non mi sono affidata al classico ripasso ma ho pensato di ricorrere al video proiettore e al computer per far rivedere ai ragazzi il lavoro sperimentale da loro svolto in precedenza e farli riflettere sui comportamenti già osservati, sperando che da qualcuno venisse fuori "una magica domanda".

L’aspettativa è stata premiata grazie a un allievo:

“Prof., ma perché lo sciroppo di amarena si diffonde più rapidamente nel becker con l’acqua calda mentre nel becker freddo la macchia  rossa ci mette tanto a disfarsi e dobbiamo rimescolare con un cucchiaio per fare prima?”

Stavamo, naturalmente, rivedendo il fenomeno della diffusione dello sciroppo di amarena nell’acqua.

E subito un altro alunno:

“A me piacerebbe capire come fa il sale a sciogliersi nell’acqua e pure lo zucchero, anzi nel caffè bollente lo zucchero si scioglie quasi senza bisogno di rimescolare” .

LA DISCUSSIONE

Le domande diventavano sempre di più e più pressanti.
Dato che il come lo avevano bene osservato a suo tempo, li ho invitati a tentare di fare delle ipotesi sul perché di quanto man mano rivedevano con il video proiettore + computer.

Un'alunna, piuttosto studiosa e sveglia, esordisce:

“Per me il trucco sta negli atomi e nelle molecole, che formano la materia. L’ho letto   bene nel libro di Fisica di mia sorella, che va al superiore. Ci sono anche i disegni, io li ho visti”.

Immediata la reazione di una compagna:

“Eccola lei! Ha visto i disegni! Ma li hai visti dal vero questi atomi?

E la prima replica ancora che non si possono vedere, lo ha letto proprio bene, tanto sono piccoli, nemmeno con il microscopio elettronico, quello che usano all’ ASL  e che ti fa vedere gli organuli del citoplasma delle cellule.

A questo punto vengo assalita da un coro: “E’ vero, prof., quello che dice Valeria?”

I ragazzi vogliono delle conferme e sono costretta  a rispondere che quanto afferma la compagna è vero, tuttavia stentano a fidarsi dell'esistenza di ciò che non possono  osservare direttamente.

Li faccio riflettere su  quanto, tempo prima al laboratorio chimico dell’ITIS di Faenza, avevano osservato al potente microscopio ottico, in dotazione: minutissimi cristallini di solfato di rame o dello stesso cloruro di sodio avevano delle forme geometriche regolari e sfaccettate, non rilevabili ad occhio nudo.

Le particelle del solfato di rame o del cloruro di sodio si dispongono a livello microscopico, anche se noi non le vediamo, secondo le medesime configurazioni osservate macroscopicamente (non parliamo ancora del reticolo cristallino).

Si affaccia l’ipotesi particellare della materia, ma non mi sembrano molto convinti!
Conveniamo, comunque, di parlare di particelle di materia, tanto ma tanto piccole da non potersi nemmeno osservare con il microscopio elettronico!

A CACCIA DELLE PARTICELLE E RICERCA DI UN POSSIBILE MODELLO PER LA STRUTTURA  PARTICELLARE DELLA MATERIA

Induco i ragazzi a riflettere che dobbiamo crearci un’immagine mentale, una specie di modello della struttura particellare della materia, che riesca a dare ragione dei fenomeni già osservati e che permetta di fare previsioni, che poi proveremo a verificare.

I ragazzi sono perplessi, mi confessano che stentano a credere nell'esistenza di queste particelle, cioè delle invisibili parti di materia ma sempre parti e quindi staccate fra di loro.

Un alunno, a questo punto, osserva: "E allora com’è che una sbarra di ferro, la lavagna o l’acqua o il rumore dell’aria che esce da qualcosa che si sgonfia sono tutti "interi"?

Insisto sul fatto che dobbiamo crearci un modello materiale........

Saprete il seguito al prossimo post, se vi interessa of course.

Temperatura & Calore: il problema particellare della materia

Con questo post, inizia la pubblicazione di un tema  "hard" dal punto di vista didattico sia per la sua complessità che per il suo estremo grado di astrazione, che costituisce, quest'ultimo, un limite alla comprensione da parte di giovani alunni.

Se l'argomento è, infatti, di non facile approccio per gli studenti delle superiori e nemmeno all'università, ve lo assicuro per averlo sperimentato personalmente( la mia specializzazione è proprio in Fisica delle particelle elementari), immaginate quanto possa esserlo alla scuola secondaria di 1° grado.

Ho pensato, quindi, di condividere con i  colleghi di Scienze, eventualmente interessati, i risultati di un'esperienza, condotta qualche hanno fa con una mia allora classe 2° media, che potrebbero tornare utili.

Ecco di cosa si tratta.

ARGOMENTO: "Temperatura, Calore e il problema dela struttura particellare della materia"

• ALUNNI DESTINATARI: classe 2° media
• PERIODO DI TRATTAZIONE: da marzo a giugno dell'anno di riferimento, per due ore settimanali.

RIFLESSIONI PRELIMINARI SUGLI ASPETTI DIDATTICI CONNESSI CON L’INTRODUZIONE DEL MODELLO PARTICELLARE

L’introduzione del modello particellare ingenera, molto spesso, negli studenti idee concettualmente errate che, spesso, rischiano di assumere un carattere permanente e/o che sono difficili da rimuovere in seguito.

Pertanto, la finalità del lavoro in oggetto è quella di affrontare l’argomento sulla base dei concetti che sono effettivamente alla portata dei ragazzi di questa età, esaminando alcune applicazioni di diffuso interesse didattico e tentando di mettere in rilievo alcune frequenti idee errate.

In tale quadro di riferimento, i concetti di temperatura e calore possono fornire un concreto apporto alla comprensione del modello sotto l’aspetto microscopico, che è poi, come sappiamo, quello più difficile da comprendere per il suo alto grado di astrazione legato alla impossibilità di una osservazione diretta.

Inoltre, gli stessi concetti di temperatura e calore possono essere utilmente affrontati e approfonditi creando le basi adeguate per la comprensione della loro esatta natura e differenza, che a volte non risultano, invece, di chiara comprensione.

I problemi didattici, da affrontare, sono sicuramente non lievi per cui sorge spontaneo chiedersi se sia o no opportuno presentare ad allievi di scuola media il modello particellare della materia.

Personalmente, credo che, avendo posto in prima le necessarie basi sperimentali, il modello particellare risulti proponibile, con le dovute cautele a partire dalla seconda.

Naturalmente, tale modello non deve essere affrontato in un singolo episodio didattico ma essere ripreso, integrato e precisato nel tempo secondo le accresciute capacità mentali degli allievi. Soltanto in tal modo si può sperare che questi possano maturare una corretta integrazione tra modello e realtà prevenendo il consolidamento di idee errate.

NOTA
Non si farà riferimento ad atomi o molecole né tantomeno si parlerà della loro struttura. Si intenderà riferirsi, con il termine particelle, semplicemente a piccolissime parti di materia, tanto piccole da non potersi rilevare neanche con il microscopio elettronico.

PREREQUISITI E COMPETENZE PREGRESSE

La classe 2°, destinataria della sperimentazione, aveva già affrontato  in prima gli stati fisici della materia e lavorato sulla tematica dell’acqua, delle sue proprietà e dei suoi cambiamenti di stato.

Aveva sperimentato l’approccio fenomenologico alle questioni scientifiche suddette ed ha avuto a che fare con la temperatura e il calore trattando appunto i passaggi di stato fisico dell’acqua.

Aveva osservato come la temperatura rimanga costante, durante la trasformazione, fino a quando il cambiamento di stato, qualunque esso sia, non abbia interessato tutta l’acqua presa in una ben determinata quantità. Aveva  costruito tabelle di rilevamento dati  temperatura/tempo per l’ebollizione dell’acqua e per la fusione del ghiaccio, realizzando i grafici corrispondenti.

Ecco la mappa del percorso sperimentale, i cui nodi saranno sviluppati nei post successivi.
Sarebbe interessante raccogliere i vostri commenti ai fini di un confronto costruttivo.

Al prossimo post.