Rossana Zanoli Lorenza Pini Paola Veronesi. Scopriamo la natura SCIENZE

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1 Rossana Zanoli Lorenza Pini Paola Veronesi Scopriamo la natura SCIENZE

2 Rossana Zanoli Lorenza Pini Paola Veronesi Scopriamo la natura

3 Copyright 2012 Zanichelli editore S.p.A., Bologna [6732] I diritti di elaborazione in qualsiasi forma o opera, di memorizzazione anche digitale su supporti di qualsiasi tipo (inclusi magnetici e ottici), di riproduzione e di adattamento totale o parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), i diritti di noleggio, di prestito e di traduzione sono riservati per tutti i paesi. L acquisto della presente copia dell opera non implica il trasferimento dei suddetti diritti né li esaurisce. Per le riproduzioni ad uso non personale (ad esempio: professionale, economico, commerciale, strumenti di studio collettivi, come dispense e simili) l editore potrà concedere a pagamento l autorizzazione a riprodurre un numero di pagine non superiore al 15% delle pagine del presente volume. Le richieste per tale tipo di riproduzione vanno inoltrate a Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali (CLEARedi) Corso di Porta Romana, n Milano e sito web L editore, per quanto di propria spettanza, considera rare le opere fuori del proprio catalogo editoriale, consultabile al sito La fotocopia dei soli esemplari esistenti nelle biblioteche di tali opere è consentita, oltre il limite del 15%, non essendo concorrenziale all opera. Non possono considerarsi rare le opere di cui esiste, nel catalogo dell editore, una successiva edizione, le opere presenti in cataloghi di altri editori o le opere legge diritto d autore. Maggiori informazioni sul nostro sito: Realizzazione e-book: Coordinamento editoriale: Elena Bacchilega, Martina Mugnai, Selvaggia Santin, Andrea Castellani Supervisione scientifica: Rossana Zanoli, Lorenza Pini, Paola Veronesi Segreteria di redazione: Deborah Lorenzini Progettazione e sviluppo software: dudat srl, Bologna Video: Regia e riprese: Carlo Gardini, Parma Sceneggiatura, montaggio e speakeraggio: dudat srl, Bologna Musiche: Loop from Some Reggae Intro by Mike Animazioni e attività: Sceneggiatura, realizzazione multimediale, speakeraggio: dudat srl, Bologna Musiche: Loop from Some Reggae Intro by Mike Speakeraggio audiolibro: dudat srl, Bologna Realizzazione editoriale: Redazione: Elena Bacchilega, Martina Mugnai, Selvaggia Santin, Andrea Castellani Segreteria di redazione: Deborah Lorenzini Progetto grafico: Studio Emme Grafica+ Impaginazione: Roberta Marchetti Ricerca iconografica: Elena Bacchilega, Martina Mugnai, Selvaggia Santin, Claudia Patella Disegni: Dmitrij Leoni, Luisa Cittone, Roberta Marchetti Fotografie in laboratorio: Carlo Gardini, Parma Rilettura dei testi, indice analitico: Page, Bologna L Editore ringrazia la dottoressa Nicoletta Ronda dell Università di Parma per la realizzazione delle foto in laboratorio di biologia Contributi: Revisione: Eugenio Melotti, Alessandra Meneghetti Revisione dei capitoli di fisica e stesura dei relativi esercizi: Carlo Manzini Copertina: Progetto grafico: Miguel Sal & C., Bologna Realizzazione: Roberto Marchetti Immagine di copertina: Mircea BEZERGHEAN/Shutterstock Prima edizione: gennaio 2012 L impegno a mantenere invariato il contenuto di questo volume per un quinquennio (art. 5 legge n. 169/2008) è comunicato nel catalogo Zanichelli, disponibile anche online sul sito ai sensi del DM 41 dell 8 aprile 2009, All. 1/B. File per diversamente abili L editore mette a disposizione degli studenti non vedenti, ipovedenti, disabili motori o con disturbi specifici di apprendimento i file pdf in cui sono memorizzatelepaginediquestolibro.ilformatodel file permette l ingrandimento dei caratteri del testo e la lettura mediante software screen reader. Le informazioni su come ottenere i file sono sul sito Suggerimenti e segnalazione degli errori Realizzare un libro è un operazione complessa, che richiede numerosi controlli: sul testo, sulle immagini e sulle relazioni che si stabiliscono tra essi. L esperienza suggerisce che è praticamente impossibile pubblicare un libro privo di errori. Saremo quindi grati ai lettori che vorranno segnalarceli. Per segnalazioni o suggerimenti relativi a questo libro scrivere al seguente indirizzo: Le correzioni di eventuali errori presenti nel testo sono pubblicati nel sito Zanichelli editore S.p.A. opera con sistema qualità certificato CertiCarGraf n. 477 secondo la norma UNI EN ISO 9001:2008

4 LEZIONE Indice I primi passi nella scienza Lezione 1 Osservare per capire A2 Lezione 2 Misurare le quantità A4 Lezione 3 Numeri e misure A6 Storia Dal palmo al metro A8 Zoom La nascita del kilogrammo A9 Zoom Ore, minuti e secondi A9 Lab Misurare e calcolare il volume A10 Lab Costruiamo un recipiente graduato per la cucina A11 Lezione 4 Il metodo della scienza A13 Lezione 5 Il mondo è fatto di materia A15 Zoom Il plasma è un altro stato fisico A17 Zoom Le proprietà degli stati di aggregazione A19 Lab Tutti gli oggetti materiali hanno un volume? A19 A20 FILMATI DI LABORATORIO Misurare il volume Gli stati fisici A10 A16

5 A1 I Indice Mescolare materiali diversi Lezione 1 Mescolare due liquidi A24 Dentro la materia La temperatura è un indicatore della velocità delle particelle A25 Lezione 2 Non sempre due liquidi si mescolano A26 Zoom Emulsioni di tutti i giorni A27 Lezione 3 Mescolare un solido e un liquido A28 Zoom Soluzioni di tutti i giorni A29 Dentro la materia Un solido si scioglie quando le sue particelle si disperdono A30 Lezione 4 Solidi solubili e solidi insolubili A31 Zoom Le leghe: miscugli omogenei tra solidi A33 Lezione 5 Le miscele gassose A34 Zoom Miscugli salvavita A35 Dentro la materia Le particelle di cui sono fatti i gas A35 Lezione 6 Miscugli tra gas, solidi e liquidi A36 Zoom Vapori pericolosi A38 A39 FILMATI DI LABORATORIO miscugli A24 La diffusione in acqua calda La miscibilità dei liquidi Le soluzioni tra solidi e liquidi I fumi sono miscugli di solidi e gas I vapori ANIMAZIONI La temperatura e la velocità delle particelle La dissoluzione di un solido Le particelle dei gas A25 A26 A28 A36 A38 A25 A30 A35 A2 Scaldare i materiali Lezione 1 Aumentare la temperatura di un oggetto solido A42 Dentro la materia Il volume di un solido varia con la temperatura A44 Lab Calcoliamo la densità A45 Zoom Viadotti e ferrovie A45 Lezione 2 Aumentare la temperatura di un liquido A46 Dentro la materia Il volume di un liquido varia con la temperatura A47 Lab Costruiamo un termoscopio A47 Lezione 3 Aumentare la temperatura di un gas A48 Dentro la materia Il volume di un gas varia con la temperatura A49 Zoom Perché è pericoloso scaldare le bombolette spray? A49 Lezione 4 Il movimento dei fluidi sottoposti a riscaldamento A50 Zoom Come funziona il termosifone A52 A53 FILMATI DI LABORATORIO La dilatazione termica Il volume di un liquido aumenta con la temperatura Il volume di un gas aumenta con la temperatura I moti convettivi ANIMAZIONI Come varia il volume dei solidi Come varia il volume dei liquidi Come varia il volume dei gas A43 A46 A48 A52 A44 A47 A48 A3 Le trasformazioni dello stato fisico Lezione 1 Quando un liquido diventa solido A56 Zoom Bottiglie nel freezer A57 Dentro la materia L acqua che solidifica aumenta di volume A57 Zoom Da dove viene la brina? A58 Lezione 2 La fusione del ghiaccio A59 Lab Caratteristiche degli strumenti di misura A59 Lab Costruire un grafico A60 Dentro la materia Il calore latente A61 Lezione 3 L ebollizione dell acqua A62 Zoom Bagnomaria e bibite con ghiaccio A63 Zoom La pentola a pressione A65 Lezione 4 I liquidi evaporano A66 Zoom Quando fa caldo il nostro corpo si difende sudando A67 Dentro la materia Ebollizione ed evaporazione a confronto A68 Lezione 5 Misurare la temperatura A69 A71 FILMATI DI LABORATORIO La fusione del ghiaccio L ebollizione dell acqua La campana da vuoto L evaporazione di un liquido ANIMAZIONI La solidificazione dell acqua Il calore latente Ebollizione ed evaporazione A59 A62 A64 A66 A57 A61 A68

6 LEZIONE B1 La cellula: l unità elementare dei viventi Lezione 1 Le caratteristiche dei viventi B2 Lezione 2 Il microscopio: uno strumento per osservare B5 Storia La vita e gli studi di Galileo B6 Lab Come si usa il microscopio ottico B7 Lezione 3 Osserviamo con il microscopio B8 Storia La scoperta della cellula B10 Lezione 4 Esploriamo la cellula con il microscopio ottico B11 Lezione 5 Esploriamo la cellula con il microscopio elettronico B14 Zoom Il microscopio elettronico B16 Zoom I virus B16 Lezione 6 Una cellula, molte cellule B17 Lezione 7 Cellule senza nucleo: i procarioti B19 Storia Le scoperte della biologia da Francesco Redi a Louis Pasteur B20 B22 Indice ANIMAZIONI Il microscopio La cellula animale La cellula vegetale B5 B14 B15 B2 Mettere ordine in natura: la classificazione Lezione 1 Dalle prime classificazioni al Systema Naturae di Linneo B26 Vediamo da vicino Un esempio di classificazione: la famiglia dei delfini B28 Lezione 2 Oltre i regni: i domìni dei viventi B30 Lezione 3 Il concetto di specie B33 Lezione 4 Dalla fissità delle specie al concetto di evoluzione B35 Vediamo da vicino L evoluzione al lavoro: i fringuelli di Darwin B38 B42 B3 L origine e la struttura delle piante Lezione 1 Per cominciare: una visita all orto botanico B44 Zoom Alla scoperta dell orto botanico B45 Lezione 2 Gli antenati delle piante: le alghe B46 Zoom Le alghe si mangiano? B47 Lezione 3 Le foglie non sono tutte uguali B48 Vediamo da vicino La forma delle foglie B51 Lezione 4 L importanza di essere verde B52 Lezione 5 La traspirazione fogliare e la respirazione cellulare B56 Lezione 6 Il fusto fornisce sostegno alla pianta B58 Lezione 7 La radice è responsabile dell assorbimento B60 Lab La funzione dei peli radicali B61 Vediamo da vicino Radici in aria e fusti sotterranei B62 Lezione 8 Adattarsi per sopravvivere B64 B68 ANIMAZIONI Classificare i viventi FILMATI DI LABORATORIO Le nervature di una foglia L estrazione della clorofilla Il ruolo della clorofilla ANIMAZIONI Gli stomi I vasi FILMATI Le ninfee Il loto B31 B48 B52 B53 B49 B59 B49 B66

7 B4 Indice Le piante: riproduzione e classificazione Lezione 1 La riproduzione delle piante: il fiore B72 Vediamo da vicino La varietà dei fiori B74 Lezione 2 L impollinazione e la fecondazione B76 Lezione 3 La propagazione della vita: il seme B78 Lezione 4 I frutti circondano e proteggono i semi B81 Vediamo da vicino La varietà dei frutti B82 Lezione 5 Classificare le piante: i muschi e le felci B84 Lezione 6 Le piante più recenti: le gimnosperme e le angiosperme B87 B90 ANIMAZIONI La struttura del fiore La fecondazione del fiore Il frutto La riproduzione di muschi e felci FILMATI Il fiore di giglio La germinazione B73 B76 B81 B85 B72 B80 B5 Il regno dei funghi Lezione 1 I funghi sono diffusi in tutti gli ambienti B94 Zoom Quanto sono «buoni da mangiare» i funghi? B95 Lezione 2 Come si nutrono i funghi? B96 Zoom Funghi dannosi e funghi utili B97 Vediamo da vicino I gruppi dei funghi B98 Lezione 3 Pane, vino, birra: i lieviti B100 Lezione 4 I licheni: vivere in simbiosi B102 B104 FILMATI L ovulo malefico Le muffe verdi B95 B97 B6 La classificazione degli animali: gli invertebrati Lezione 1 Il regno degli animali B108 Lezione 2 Gli invertebrati più semplici: spugne, meduse e coralli B112 Zoom La barriera corallina B114 Lezione 3 I vermi: anellidi, platelminti e nematodi B115 Lezione 4 I molluschi: animali dal corpo molle B117 Lezione 5 Gli artropodi: animali a zampe articolate B120 Vediamo da vicino La metamorfosi degli insetti B122 Lezione 6 Gli echinodermi: animali a simmetria radiale B126 Lab Da quanti piani di simmetria può essere suddiviso il corpo di una stella marina? B127 B128 ANIMAZIONI La struttura di una spugna La struttura di un lombrico La struttura di un insetto La struttura di una stella marina FILMATI La chiocciola La spiritromba di una farfalla B112 B115 B121 B126 B118 B121 B7 La classificazione degli animali: i vertebrati Lezione 1 I vertebrati sono animali con scheletro interno B132 Lezione 2 I pesci: una vita nell acqua B134 Vediamo da vicino La varietà dei pesci ossei e dei pesci cartilaginei B136 Lezione 3 Gli anfibi: animali dalla doppia vita B138 Vediamo da vicino Il ciclo vitale della rana B139 Lezione 4 I rettili: i vertebrati colonizzano la terraferma B140 Zoom Biscia o vipera? B141 Lezione 5 Gli uccelli: la conquista dell aria B143 Vediamo da vicino La varietà degli uccelli B145 Lezione 6 I mammiferi: animali che allattano i piccoli B146 Vediamo da vicino La varietà dei mammiferi B149 B150 FILMATI Lo squalo in movimento I sacchi vocali Il volo del colibrì Le cure parentali La balena ANIMAZIONI L anatomia di un pesce L anatomia di uno squalo L anatomia di un uccello L anatomia di un mammifero B137 B139 B145 B148 B149 B135 B137 B144 B147

8 LEZIONE D1 Un mondo di acqua Lezione 1 Acqua in movimento D2 Vediamo da vicino Il ciclo dell acqua D4 Lezione 2 L acqua è una sostanza davvero speciale D6 Dentro la materia Un modello per spiegare la capillarità e la tensione superficiale D8 Zoom I detersivi riducono la tensione superficiale D8 Lezione 3 Le acque dolci: ghiacciai, fiumi, laghi, falde D12 Zoom La formazione di una torbiera D15 Lezione 4 Le acqua salate: mari e oceani D17 Vediamo da vicino Un pianeta di mari e oceani D18 Lab Perché l acqua del mare è salata? D20 Lezione 5 Da dove viene l acqua che utilizziamo D22 Zoom Il calcare in casa nostra D24 Zoom L inquinamento dell acqua: un emergenza globale D25 D26 D2 Un mondo di terra Lezione 1 Il suolo sotto i nostri piedi D30 Lezione 2 I componenti del suolo D32 Lab Identifichiamo altri componenti del suolo D33 Lezione 3 L origine di un suolo D34 Vediamo da vicino Gli abitanti del suolo D36 Lezione 4 Le caratteristiche dei suoli D38 Zoom I concimi arricchiscono il suolo D40 Lezione 5 I fattori di rischio per il suolo D41 Zoom Separare i rifiuti: la raccolta differenziata D43 D44 D3 Un mondo di aria Lezione 1 L aria: una materia invisibile D48 Lab Riempire una bottiglia già piena D50 Lezione 2 Di che cosa è fatta l aria? D52 Zoom Il diossido di carbonio e l attività umana D53 Lezione 3 L aria che ci circonda: l atmosfera D54 Zoom Il «mal di montagna» D55 Vediamo da vicino Gli strati dell atmosfera D56 Lab Le variazioni della temperatura dell aria D58 Zoom Il buco dell ozono D58 Storia La scoperta dell azoto e dell ossigeno D59 Lezione 4 I fenomeni atmosferici della troposfera D60 Vediamo da vicino I principali tipi di nubi D61 Lezione 5 L aria in movimento: i venti D62 Zoom Le polveri sottili D64 Lab Una «trappola» per l aria D65 D66 D4 Meteo e clima Lezione 1 Grandezze e misure per il tempo meteorologico D70 Lezione 2 Le previsioni del tempo D75 Zoom Come i satelliti osservano il pianeta D77 Lezione 3 I climi della Terra D79 Vediamo da vicino Gruppi climatici e biomi D80 Lezione 4 I fattori che influenzano il clima D83 D86 Indice FILMATI DI LABORATORIO La tensione superficiale ANIMAZIONI Il ciclo dell acqua Capillarità e tensione superficiale ANIMAZIONI Gli orizzonti del suolo Il ciclo dell azoto FILMATI DI LABORATORIO La pressione atmosferica ANIMAZIONI Il ciclo del carbonio Le brezze ANIMAZIONI Il barometro L azione delle montagne FILMATI DI LABORATORIO Fluidi in movimento D7 D4 D8 D31 D39 D51 D53 D62 D70 D84 D75

9 A Scopriamo Alla scoperta della la materia natura Primi passi nella scienza LEZIONE 1 Lezione Note per imparare In questo libro troverai la descrizione di molti esperimenti, ma se vuoi provare a farli tu stesso dovrai essere guidato da un adulto. Osservare per capire Le scienze si occupano dell osservazione del mondo. «Osservare» non vuol dire semplicemente «guardare», ma significa «esaminare con attenzione»: analizzare bene ogni dettaglio con l intento di descrivere e interpretare la realtà. 1 1 Si impara osservando Gli uomini primitivi hanno imparato a conoscere il mondo utilizzando i propri sensi: hanno ascoltato suoni e rumori, hanno guardato, toccato, annusato e perfino assaggiato tutto ciò che avevano intorno. Oltre ai sensi, chi osserva il mondo ha bisogno di altri strumenti: un quaderno e una penna, per annotare ciò che vale la pena ricordare, e una macchina fotografica con la quale «portare a casa» ciò che le parole non bastano a descrivere. Con questi strumenti lavorerai come un investigatore che va a caccia di indizi e cerca poi di interpretarli. Il primo passo per diventare uno scienziato è osservare la natura, come questo ragazzo che osserva una libellula su un ramoscello. A 2

10 1 2 Che cosa si osserva? Primi passi nella scienza La prima osservazione «scientifica» che faremo insieme consiste nell individuare le proprietà di oggetti e materiali utilizzando i nostri sensi. I ragazzi seduti intorno al tavolo stanno cercando di descrivere lo stesso oggetto, una caramella al limone; ognuno di loro utilizza solo uno dei cinque sensi. Leggiamo cosa hanno detto: 2 Il suo sapore è dolce, ma anche aspro. 3 L oggetto ha odore di limone, forte e dolciastro. 1 È un oggetto piccolo, ha forma cilindrica e schiacciata, è di colore giallo. 5 Cadendo ha fatto un rumore debole, simile a quello che farebbe un oggetto di vetro o di plastica. 4 È un oggetto di forma cilindrica con superficie liscia e appiccicosa, è poco pesante, non è freddo. Le descrizioni che i ragazzi fanno dell oggetto esprimono ciò che i loro sensi hanno percepito; in ogni caso nessuno ha dato un suo parere personale, cioè nessuno ha detto se l oggetto è bello o brutto, se gli piace oppure no. In un osservazione scientifica le descrizioni devono essere oggettive e non soggettive: le caratteristiche che descrivono un oggetto o un cambiamento non devono dipendere dalle opinioni o dalle emozioni dell osservatore. Note per imparare Come hai appena letto, studiare le scienze parte dall osservazione del mondo che ci circonda: per farlo devi arricchire il tuo linguaggio con i termini del linguaggio scientifico. Il libro di testo ti aiuterà a imparare nuove parole: individuale, sottolineale, memorizzale e usale! Fissa i concetti Descrivi un oggetto gett a tua scelta utilizzando uno alla volta i cinque sensi come hanno fatto i ragazzi con la caramella al limone. A 3

11 Lezione 2LEZIONE Misurare Scopriamo la natura le quantità Abbiamo imparato che i nostri sensi possono fornirci delle informazioni sulle qualità degli oggetti che ci circondano. Alcune delle descrizioni che possiamo dare di un oggetto non ci dicono abbastanza; in questi casi viene spontaneo chiedersi: «Quanto?». Rispondere alle domande che riguardano le quantità ci porterà a descrivere in modo scientifico le proprietà della materia che si definiscono grandezze. 1 3 Le qualità e le quantità La forma, il colore, l aspetto della superficie, l odore, il sapore di cui abbiamo parlato nella lezione precedente esprimono delle qualità dei materiali. Rimane da chiedersi: «Quanto è piccolo?», «Quanto è pesante?», «Quanto è freddo?». Le proprietà delle quali ci chiediamo «Quanto?» si chiamano grandezze ed esprimono una quantità. Ogni volta che facciamo esperimenti o osserviamo fenomeni otteniamo dei dati sperimentali: i dati sperimentali qualitativi descrivono le qualità di un osservazione; i dati sperimentali quantitativi esprimono le quantità di una o più grandezze che possono essere misurate. L osservazione relativa al cambiamento di colore di una foglia in autunno è un dato qualitativo. La misura della temperatura esterna è un dato quantitativo. A B A 4

12 1 4 Le grandezze misurabili Primi passi nella scienza I termini «grande», «piccolo», «pesante», «freddo» non hanno un significato scientifico, perché sono soggettivi e dipendono dalla percezione dell osservatore. Quando osserviamo un oggetto possiamo chiederci: Quanto è grande o quanto è piccolo? La lunghezza è la grandezza che esprime una dimensione lungo una linea. Il volume esprime lo spazio occupato dall oggetto. Quanto è pesante o quanto è leggero? Un corpo è tanto più pesante (cioè attratto con più forza dalla Terra) quanto maggiore è la quantità di materia di cui è costituito. La grandezza che dice «di quanta materia è fatto» un corpo si chiama massa. Quanto è caldo o quanto è freddo? La grandezza misurabile che ci permette di valutare le sensazioni di «caldo» o di «freddo» che possiamo ricevere toccando un materiale è la temperatura. Quanto impiega? Il tempo è la grandezza che risponde a questa domanda; esso esprime un «intervallo» tra due momenti diversi. L uomo al centro è grande o piccolo? Dipende da chi lo osserva: per questo gli scienziati danno tanta importanza alle misurazioni. Fissa i concetti Quali tra questi dati sono qualitativi e quali sono quantitativi? 1. La lunghezza di un divano è un dato La forma di un bicchiere è un dato Il colore di un fiore è un dato La massa di un automobile è un dato Il sapore del miele è un dato La temperatura del caffè è un dato... A 5

13 Lezione 3LEZIONE Numeri Scopriamo la natura e misure In questa lezione impareremo cosa significa misurare, quali strumenti ci servono, e come dobbiamo esprimere le misure perché siano comprensibili a tutti. Un numero da solo, infatti, non è sufficiente per esprimere una grandezza. 1 5 Misurare significa confrontare Misurare può sembrarci un esperienza comune, che facciamo fin da bambini; spesso però nella vita quotidiana non siamo abbastanza precisi nell esprimere le misure che vogliamo comunicare ad altri. Consideriamo insieme la seguente situazione, nella quale vediamo alcune fasi del gioco delle bocce, nel quale i giocatori cercano di avvicinare il più possibile le proprie bocce a un pallino. 1 Nel gioco delle bocce, in alcuni casi si capisce subito quale boccia si trova più vicina al pallino. 2 Altre volte invece la differenza non è così netta e non è facile decidere chi ha vinto. 22 cm 20 cm 3 Nel dubbio, il giocatore utilizza la mano aperta per confrontare le due distanze; misura la distanza tra ogni boccia e il pallino «a spanne». 4 Il suo avversario però non è convinto: estrae allora dalla tasca un nastro metrico e lo utilizza per misurare ciascuna distanza. A 6

14 Primi passi nella scienza Per misurare le due distanze, il giocatore ha fatto un confronto con la lunghezza di un campione definito, riportato sul nastro metrico. In questo modo ha associato alla grandezza un numero e la sua unità di misura. Nel nostro caso le due lunghezze misurate sono di 22 cm e 20 cm: ciò significa che le distanze delle due bocce dal pallino sono rispettivamente 22 volte e 20 volte più grandi dell unità di misura (cm) riportata sul nastro. Per definire la misura di una grandezza sono necessarie almeno due componenti: il numero, che esprime quante volte un unità di misura è contenuta nella grandezza misurata; l unità di misura, che esprime la quantità usata come riferimento nella misurazione. A B Questo oggetto misura 24 mm. Questo oggetto misura 24 cm. 1 6 Il Sistema Internazionale delle misure Oggi le unità di misura sono degli standard comuni in quasi tutti i paesi. I primi campioni di lunghezza e massa sono stati fissati in Francia alla fine del Settecento. Nel 1960 è stato istituito il Sistema Internazionale (S.I.), che definisce le unità di misura di tutte le grandezze. In Italia è stato adottato legalmente nel Nel S.I. sono state identificate sette grandezze fondamentali; fra queste, quelle che già conosci sono lunghezza, massa, temperatura e intervalli di tempo. La tabella riporta le unità di misura del S.I. e alcune altre unità di misura che pur non facendo parte del S.I. vengono spesso utilizzate in Italia. Grandezza Unità di misura S.I. Unità di misura convenzionale Strumento di misura lunghezza (l) metro (m) nastri, aste, cordelle metriche massa (m) kilogrammo (kg) bilancia temperatura (T) kelvin (K) grado Celsius ( C) termometro tempo (t) secondo (s) ora (h), minuto (min) cronometro A 7

15 Scopriamo la natura Storia Dal palmo al metro Gli antichi Greci misuravano il mondo utilizzando il piede, il palmo o il braccio. Nel Medioevo, con lo sviluppo dei commerci, divenne indispensabile adottare unità di misura più oggettive. La scelta dei campioni venne inizialmente dettata dalle abitudini delle varie comunità del luogo: in questo modo, però, in ogni città poteva esserci un diverso sistema di misura. Ancora oggi puoi trovare scolpiti sugli edifici delle piazze dove si tenevano i mercati le unità di misura più utilizzate. L indicazione evitava l insorgere di contese tra venditori e acquirenti. A Il braccio veniva usato per misurare la lunghezza delle pezze di stoffa; in alcune città esisteva addirittura una differenza tra il braccio da seta, il braccio da lana e il braccio da tela. Chi usava un braccio più corto vendeva una minor quantità di stoffa, magari allo stesso prezzo, e chi comperava stoffe a Parma per poi rivenderle in Veneto doveva stare ben attento al prezzo da praticare. All epoca della Rivoluzione Francese si decise di mettere ordine e di fissare un unità di misura della lunghezza che non potesse variare nel tempo: il campione doveva essere la quarantamilionesima parte del meridiano terrestre passante per Parigi. Due astronomi francesi vennero incaricati di misurare con precisione la distanza tra Dunkerque e Barcellona per ricavare il raggio della Terra, dal quale calcolare poi il valore della lunghezza del meridiano; questa misura, divisa in quaranta milioni di parti, permise di ottenere la lunghezza campione chiamata metro. Alla fine del Settecento nacque dunque in Francia il Sistema Metrico Decimale, cioè la definizione di un insieme di multipli e sottomultipli dell unità di misura costruiti «di dieci in dieci». Questo comporta il passaggio dal concetto di numero intero a quello decimale (cioè con la «virgola»). Nel 1875, i capi di stato di diciassette paesi decisero di fondare un istituto scientifico permanente con sede a Parigi, denominato «Ufficio internazionale di pesi e misure». Costituirono inoltre un Comitato internazionale dei pesi e delle misure, con il compito di preparare, controllare e conservare il campione di lunghezza: una barra di metallo inalterabile costituito da una lega di platinoiridio, che è tuttora conservata a Sèvres, vicino a Parigi. Questo organismo stabilì successivamente tutte le altre unità di misura e nel 1960 introdusse il Sistema Internazionale, attualmente adottato da tutto il mondo scientifico. Oggi il metro viene definito con precisione sempre maggiore e corrisponde alla distanza percorsa dalla luce nel vuoto in circa 1/ di secondo. Tuttavia non è facile abbandonare le vecchie abitudini: in molti paesi, tra cui quelli di cultura anglosassone, vengono ancora utilizzate unità di misura diverse da quelle fissate dal Sistema Internazionale. B A 8 C Storia

16 Primi passi nella scienza Zoom La nascita del kilogrammo L unità di misura della massa, chiamata kilogrammo, venne fissata al tempo di Napoleone. 1 kg corrisponde alla massa di un decimetro cubo di acqua distillata, misurata alla temperatura di 4 C. Venne poi costruito un cilindro di una lega platino-iridio avente una massa identica a quella stabilita; questo campione è conservato a Sèvres in una doppia campana sottovuoto. La massa è l unica unità del Sistema Internazionale che si basa ancora su un campione artificiale. Zoom Fissa i concetti 1 7 Multipli e sottomultipli Un campione di misura, per esempio il metro, viene suddiviso in tante parti più piccole, chiamate sottomultipli dell unità di misura principale. Poiché il nostro sistema di numerazione è decimale, il campione viene, di volta in volta, suddiviso in 10 parti uguali. Quindi, a partire dal metro otteniamo come sottomultipli prima il decimetro, poi il centimetro, poi il millimetro. 1. L unità di misura della lunghezza si metro decimetro centimetro millimetro chiama Lo strumento più comune per misurare la lunghezza è L unità di misura del tempo nel S.I. si chiama A quanti metri corrisponde un kilometro? 5. A quanti secondi corrisponde un minuto? 1 m = 10 dm = 100 cm = 1000 mm Analogamente, i multipli si ottengono prendendo 10 volte l unità di misura immediatamente più piccola. A partire dal metro avremo così i suoi multipli: decametro, ettometro, kilometro. kilometro 0,001 km = ettometro 0,01 hm = decametro 0,1 dam = metro 1 m Zoom Ore, minuti e secondi Il secondo è l unità di misura del tempo adottata del S.I. Mentre i sottomultipli del secondo seguono il sistema decimale e si chiamano decimi, centesimi e millesimi di secondo, i suoi multipli principali utilizzano un sistema di tipo sessagesimale, cioè in base 60. Infatti un minuto corrisponde a 60 secondi e 1 ora a 60 minuti. È per questo che non viene mai usata una forma decimale per esprimere tempi superiori al minuto: per esempio quando diciamo che sono passate 2 ore e mezza intendiamo che sono passate 2 ore e 30 minuti, che però non vengono mai espressi nella forma decimale 2,5. Zoom A 9

17 Lab Scopriamo la natura Misurare e calcolare il volume Misurare il volume Il volume è una grandezza derivata: ciò significa che siamo abituati, per i solidi geometrici, a calcolarlo usando delle formule. Sappiamo per esempio che il volume di un parallelepipedo rettangolo (come una scatola da scarpe) si calcola moltiplicando tra loro i valori di lunghezza delle tre dimensioni. Per ottenere il volume di questa scatola è dunque sufficiente misurarne le tre dimensioni. 22 cm 35 cm volume = lunghezza larghezza altezza 13 cm V a b c 35 cm 13 cm 22 cm cm 3 Il volume della scatola è perciò pari a circa 10 dm 3. 2 Immergiamo il sasso nell acqua e vediamo che il livello del liquido sale: l acqua si è spostata per «lasciare spazio» al sasso. Il volume del liquido che si è spostato corrisponde esattamente a quello del solido immerso. Ma come possiamo determinare il volume di un solido dalla forma irregolare, per esempio un sasso? In questo caso è possibile fare una misura del volume utilizzando lo spostamento di un liquido. Spieghiamo questa procedura punto per punto. 1 Utilizziamo uno strumento graduato, per esempio un cilindro che misura il volume dei liquidi. Versiamo acqua nel cilindro fino ad arrivare a un certo livello: nel nostro caso misuriamo un volume iniziale di 35 cm 3. 3 Calcolando la differenza tra il volume finale e il volume iniziale del liquido, possiamo misurare il volume del sasso in questione. Nel nostro caso avremo: V sasso V finale V iniziale 43 cm 3 35 cm 3 8 cm 3 Lab A 10

18 Primi passi nella scienza Lab Costruiamo un recipiente graduato per la cucina Utilizzando una bilancia da cucina possiamo costruire in casa uno strumento per misurare il volume dei liquidi. Sappiamo che a 4 C un decimetro cubo di acqua distillata ha una massa di 1 kg. Il decimetro cubo corrisponde a un unità di misura di volume convenzionale utilizzata per i liquidi: il litro (L). Pertanto possiamo dire che un litro di acqua distillata a 4 C ha la massa di 1 kg, e possiamo costruire una tabella di conversione delle unità di misura del volume e della massa valida soltanto per l acqua distillata a 4 C (vedremo in seguito che variando la temperatura i valori cambiano). Massa di acqua Volume (dm 3 ) Volume (L) distillata a 4 C 1 kg 1 dm 3 1 L 0,1 kg = 100 g 0,1 dm 3 0,1 L = 100 ml 0,01 kg = 10 g 0,01 dm 3 0,01 L = 10 ml 0,001 kg = 1 g 0,001 dm 3 = 1 cm 3 0,001 L = 1 ml 1 Mettiamo una bottiglia di vetro sulla bilancia e azzeriamo per fare la tara. 2 Versiamo acqua distillata presa dal frigorifero fino a raggiungere una massa di 50 g e marchiamo con un pennarello per vetro il livello dell acqua Aggiungiamo altri 50 g di acqua fino ad arrivare a 100 g e facciamo un altra tacca sul contenitore. 4 Ripetiamo l operazione fino ad avere graduato tutta la bottiglia. Ricorda: 50 g di acqua corrispondono a 50 ml. 5 Ora scriviamo accanto a ogni tacca il corrispondente valore in millilitri, che è l unità di misura del volume più utilizzata nelle ricette di cucina. Lab A 11

19 Scopriamo la natura 1 8 La massa e il peso: qual è la differenza? A volte, nel linguaggio quotidiano confondiamo le parole massa e peso, che però nel linguaggio scientifico indicano due concetti diversi. Per capire questa differenza considera gli esempi che seguono: Quando parliamo del nostro «peso» ci riferiamo in realtà alla quantità di materia che costituisce il nostro corpo. Questa nel linguaggio scientifico si chiama massa. Un astronauta sulla Luna è in grado di fare grandi salti senza sforzo; la sua massa però è sempre la stessa (non è dimagrito!). Ciò che è cambiato è il suo peso, che ora è molto minore rispetto a quello che aveva sulla Terra. B Una stessa persona è trattenuta «con i piedi per terra» in modo più o meno intenso a seconda che si trovi sulla superficie della Terra, sulla Luna, oppure in una stazione spaziale. A C Il peso infatti è una forza che attrae i corpi verso «terra». La Luna ha una capacità di attrazione gravitazionale molto inferiore a quella della Terra; è per questo che l astronauta si trova a pesare molto meno sulla Luna, riuscendo a fare grandi salti! Fissa i concetti rimane sempre uguale dovunque ci spostiamo è una forza si misura in kilogrammi si misura con il termometro si misura in secondi è una grandezza che si ottiene moltiplicando per tre volte una lunghezza. A 12

20 Lezione 4 Il metodo della scienza Primi passi nella scienza In passato i filosofi erano convinti che l uomo potesse capire e spiegare l essenza delle cose utilizzando soltanto il ragionamento. Nel Seicento, in particolare con le opere e gli studi di Galileo Galilei, il modo di lavorare di tutti gli studiosi si modificò in modo sostanziale. Galileo viene ricordato per essere l ideatore del metodo scientifico, applicato oggi da tutti gli scienziati nelle loro ricerche. 1 9 Galileo e il metodo sperimentale La grande lezione di Galileo è stata quella di avvicinarsi all osservazione senza pregiudizi, per imparare e capire soltanto dall esperienza. Prima di allora, gli scienziati non potevano contraddire ciò che era scritto nei libri sacri. Non accettare ciò che era scritto in questi testi significava mettere in discussione la stessa esistenza di Dio. Secondo Galileo, il metodo scientifico o sperimentale è quel procedimento che lo scienziato deve seguire per raggiungere una conoscenza della realtà che sia oggettiva, verificabile e accettata da tutto il mondo scientifico. Il metodo sperimentale è una successione ordinata di diverse fasi di lavoro. 1. La fase ipotetica parte dall osservazione dei fenomeni e dalla ricerca della loro interpretazione: dopo aver raccolto i dati dell osservazione, lo scienziato formula delle ipotesi, cioè cerca di spiegare in modo provvisorio il «come» e il «perché» questi fenomeni avvengano. In seguito egli progetta uno o più esperimenti per poter confermare o escludere le ipotesi. 2. La fase deduttiva è quella nella quale si analizzano i risultati degli esperimenti. Se i risultati confermano le ipotesi, si deducono le conclusioni. Quando le medesime conclusioni si ripetono con regolarità si arriva a formulare una legge, che quasi sempre è espressa anche con formule matematiche. 3. Se invece i dati sperimentali falsificano le ipotesi, il lavoro ricomincia elaborando nuove ipotesi e progettando altri esperimenti: questo fa sì che a volte occorrano molti anni per poter formulare una legge scientifica. Lo scienziato cerca la risposta a una domanda o compie un osservazione. Cerca di spiegare ciò che ha osservato, cioè fa un ipotesi. Progetta e realizza uno o più esperimenti. Raccoglie ed elabora i dati ottenuti. I dati confermano l ipotesi? sì Galileo Galilei ( ) rivoluzionò il modo di studiare la natura. no Lo scienziato generalizza i risultati, cioè formula una legge. A 13

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