P.D 2B: Galleggiamento Esempio di percorso Scuola primaria e secondaria di I grado

Transcript

1 PIANO ISS P r e s i d i o M I L A N O I s t i t u t o T e c n i c o I n d u s t r i a l e S t a t a l e L i c e o S c i e n t i f i c o T e c n o l o g i c o E t t o r e M o l i n a r i Via Crescenzago, Milano - t e l. : ( 0 2 ) / f a x : ( 0 2 ) / w w w. i t i s - m o l i n a r i. m i. i t p r e s i d e n z i t i s - m o l i n a r i. m i. i t P.D 2B: Galleggiamento Scuola primaria e secondaria di I grado CAMMINARE SULL ACQUA Persino all uomo primitivo non poteva sfuggire un altra delle peculiarità dell acqua: essa consente il galleggiamento, e quindi il trasporto, di corpi anche molto pesanti, difficili da trasportare sulla terraferma. In base a quale legge questo succedeva l uomo di allora non poteva certo sapere. Bisogna attendere infatti l arrivo di un grande matematico, Archimede, più di 2000 anni fa. Egli partì dall osservazione che uno stesso oggetto pesa meno in acqua che non sulla terra (se ci pensi, in mare o in piscina sollevi facilmente anche persone molto più pesanti di te) e arrivò a questa conclusione: l acqua dà all oggetto una spinta verso l alto che è tanto più forte quanto più acqua l oggetto riesce a spostare. Dunque, se in generale è vero che le sostanze più pesanti ( o meglio, più dense) dell acqua vanno a fondo, è vero anche che si può far galleggiare un oggetto che normalmente affonda dandogli una forma tale da fargli spostare più acqua. Il galleggiamento è governato dal principio di Archimede e coinvolge una serie di fattori come massa, densità, peso specifico. Il galleggiamento si presta alla formulazione di ipotesi e alla loro verifica sperimentale. Sebbene tutti i bambini abbiano delle esperienze di galleggiamento, alcuni oggetti hanno un comportamento non facile da prevedere. 1. Esperienza libera su un sistema formato da un liquido in cui si immerge un oggetto 1 (ultimi anni scuola primaria, scuola secondaria di primo grado) Materiale occorrente: Vaschetta con acqua, oggetti vari (CD, bottoni, tappi vari, legno, sughero, palline di carta colorata, oggetti in plastica, graffette ; bottigline di vetro, i cubetti di plastica, e altri oggetti, poi carta, polistirolo, spugnette materiali che si sciolgono in acqua: zucchero a quadretti/fine, sale grosso/fine) Domanda: quali fenomeni puoi osservare immergendo gli oggetti che hai a disposizione nell acqua? Elencali Verifica l esistenza del fenomeno provando. Sono presenti non solo fenomeni di galleggiamento/affondamento, ma fenomeni di tensione superficiale (interazioni liquido-aria), tensione interfacciale (con le pareti del recipiente e con gli altri materiali: interazioni liquido-materiali) che è importante che i ragazzi imparino a 1 Nei primi anni della scuola primaria vanno fatti giochi in cui emergono fenomeni di galleggiamento (piscina, giochi con acqua e diversi oggetti), miscugli e soluzioni: acqua e sale, acqua e farina ecc

2 riconoscere, e fenomeni di altro tipo come assorbimento, capillarità, solubilità, fenomeni luminosi Questa modalità potrebbe essere una possibile partenza in tutti i livelli scolastici che può servire, a far emergere oltre la questione che si vuole studiare (in questo caso l interazione fra materiali diversi), anche le preconcezioni e le conoscenze che gli alunni già possiedono al proposito. In questa fase i ragazzi sono lasciati liberi di osservare, progettare e sperimentare situazioni diverse (esperienza libera) Gli scopi di un esperienza di questo tipo sono capire che la realtà è complessa, che i fenomeni che vi avvengono sono molteplici e si manifestano tutti insieme: è un ottimo approccio per far comprendere che una metodologia scientifica sperimentale consisterà proprio nel saper affrontare lo studio di un sistema selezionando le variabili e le modalità di interazione con esso riconoscimento e classificazione dei fenomeni osservabili senza semplificazioni a priori: tipo i liquidi hanno volume proprio e forma del recipiente e i solidi volume e forma propria : osservando fenomeni legati alla tensione superficiale e interfacciale l affermazione non è così scontata. L abilità del docente sarà anche quella di porre le domande/problemi nel momento opportuno, anche in funzione dell ambito sperimentale che si vuole approfondire. Nella scuola primaria gli obiettivi saranno lo sviluppo della capacità di manipolazione, di osservazione, di descrizione (utilizzando anche il disegno) ; nella secondaria di primo grado, oltre allo sviluppo della capacità di osservazione, di manipolazione, di descrizione sia verbale sia iconica e che deve diventare sempre più puntuale anche con l acquisizione (graduale) di un linguaggio sempre più preciso e corretto, si punterà alla capacità di distinguere e classificare i vari fenomeni, di porsi domande, di progettare semplici esperienze ( provo per vedere cosa succede, provo per vedere cosa cambia se), di cercare una prima interpretazione, formulando ipotesi. Nella secondaria di II grado un esperienza di questo tipo è utile per evidenziare le conoscenze dei ragazzi acquisite nei livelli scolastici precedenti e le loro abilità di osservazione, descrizione, classificazione, interpretazione dei fenomeni. In tutti i livelli scolari un esperienza di questo tipo, svolta a gruppi permette agli alunni anche di confrontare con gli altri (sia a livello di gruppo, di classe, e se possibile di interclasse ) le osservazioni fatte, le descrizioni, le ipotesi A tutte le età serve a stimolare la motivazione, fondamentale per generare apprendimento e a cominciare ad assumere l atteggiamento mentale dello scienziato per cui tutto è fisica/chimica/scienze: l osservazione macroscopica della realtà deve evocare un modello di spiegazione razionale, falsificabile, e non teorie magiche del tutto inventate Discussione in classe per una prima classificazione 2 Sono presenti fenomeni di galleggiamento/affondamento, fenomeni di solubilità/insolubilità, fenomeni luminosi Si discute in classe per una prima classificazione degli oggetti che galleggiano o affondano mettendo in evidenza ( se emerge, oppure orientare la discussione in modo che emerga) il fatto che i fenomeni osservati non si possono ridurre a due sole modalità (galleggia/affonda), ma a quattro diverse: un oggetto messo in acqua affonda un oggetto messo in acqua sta dove lo metto un oggetto posto sull acqua sta a galla, ma spinto sotto non torna a galla un oggetto posto sull acqua sta a galla e spinto sotto torna a galla Esperienza guidata sul galleggiamento. 2 Dall Unità di Apprendimento: Galleggia? Sta a galla? Affonda? Sta Osservare, descrivere ed interpretare l interazione di materiali con l acqua riconoscendo il fenomeno del galleggiamento. A cura di Paola Majorino e Paola Mesturini

3 Si chiede agli allievi di ripetere l esperienza precedente verificando il comportamento di ogni oggetto in base alle quattro modalità individuate e concordando che un oggetto galleggia se posto nell acqua sta a galla e spinto sotto torna in superficie. 2. Esperienza libera sul galleggiamento (ultimi anni scuola primaria) Si forniscono agli allievi oggetti cavi (che possono essere riempiti) e si invitano a immergerli in acqua vuoti e pieni ed evidenziare i diversi comportamenti. Si possono utilizzare o contenitori uguali oppure bottiglie senza tappo o cubetti di plastica che si riempiono gradualmente modificando il loro comportamento. È possibile che i bambini notino che la parte emersa diminuisce via via che l acqua entra e il livello dell acqua si innalzi. Discussione in classe per una prima classificazione Una seconda fase può prevedere l'utilizzo della creta 3. Una pallina di creta affonda subito nell'acqua, ma se la si modella per formare una sorta di ciotola concava galleggia. Questo dimostra che oggetti che galleggiano si possono costruire con materiali che affondano. Scuola secondaria di primo grado Le stesse esperienze possono essere proposte in una classe della scuola secondaria di primo grado ; in particolare per quanto riguarda il punto 2 si inviteranno gli alunni a considerare gli oggetti che galleggiano per effetto della tensione superficiale (CD, coperchio, moneta da 10 lire, graffette, ago..) e a distinguerli dagli altri casi tenendo presente che Si può avere galleggiamento per tensione superficiale solo per oggetti che siano sufficientemente leggeri in relazione alla loro superficie di appoggio sul liquido (per esempio, non è possibile far galleggiare nell acqua la moneta da 10 lire appoggiata di taglio né una moneta da 1 euro appoggiata di piatto ; è possibile far galleggiare un ago posto sull acqua delicatamente in orizzontale ma non in verticale ). Il fenomeno è dovuto al fatto che la superficie di un liquido ha un comportamento di tipo elastico e tende, per pressioni sufficientemente piccole, a deformarsi senza aprirsi. E importante sapere che esistono casi di galleggiamento per tensione superficiale ed imparare a riconoscerli a livello percettivo per non incorrere in situazioni che appaiono inspiegabili o, peggio, che possono venire descritte ed interpretate in modo non corretto. 4 a riflettere negli altri casi sulle variabili in gioco (tipo di materiale sia del solido che del liquido, forma, volume, peso) e ad analizzare il loro ruolo sul galleggiamento facendo ipotesi (lo fa galleggiare la forma? Il tipo di materiale? Il peso? Il volume? 5 Galleggia o affonda anche se cambio il liquido in cui lo immergo?) e progettando esperienze per verificarle. Per quanto riguarda il punto 4 ad analizzare il comportamento di oggetti che possono affondare o galleggiare: ad esempio il cubetto di plastica o la bottiglia di vetro affondano quando si riempiono di acqua, la pallina fatta con la carta stagnola affonda quando viene fortemente compressa. In tutti e tre i casi si tratta di oggetti disomogenei riempiti di materiale diverso da quello di cui sono fatti. Quando il materiale di riempimento cambia natura (cubetto o bottiglia) o quantità (pallina di carta stagnola), cambia il peso o il volume (pallina di carta stagnola) dell oggetto che può quindi a seconda dei casi galleggiare o affondare. Si potranno anche organizzare esperienze che mettano in evidenza come varia il livello dell acqua al variare della parte emersa man mano che l oggetto cavo (cubetto) si riempie. Seguirà una discussione in classe con domande guidate per far individuare ai ragazzi quali sono le grandezze variabili significative al fine di se un oggetto galleggia o affonda riflettendo sul fatto che separatamente le due grandezze peso e volume non portano alla spiegazione del fenomeno 3 Vedi schede esperienze 4 Da Galleggiamento dovuto a tensione superficiale di Marta Gagliardi Vedi e

4 che gli oggetti (non cavi) di materiale diverso affondano o galleggiano indipendente dalla loro forma che un oggetto cavo può galleggiare o affondare a secondo del materiale di riempimento. E se si cambia il liquido? (acqua salata) (ultimo anno scuola primaria) Far riferimento alle esperienze di galleggiamento in piscina o al mare. Un'ulteriore fase può consistere nel provare se un oggetto galleggia di più nell'acqua dolce o nell'acqua salata. Sempre per il principio di Archimede, poichè l'acqua salata ha una densità maggiore di quella dolce, gli oggetti galleggiano meglio nell'acqua salata. Questa spiegazione può essere richiesta anche agli alunni a livello di scuola secondaria di primo grado dopo le esperienze fatte Per questo esperimento conviene utilizzare un cubetto di legno o un oggetto simile. Prima si fa galleggiare il cubo in una vaschetta d'acqua del rubinetto, lo si estrae dall'acqua e si segna con una penna la linea di galleggiamento. Poi lo si fa asciugare, si aggiungono all'acqua due pugni di sale, li si fa sciogliere bene e si immerge di nuovo il cubo. Si dovrebbe vedere la differenza! E se si cambia il liquido? (scuola secondaria di primo / secondo grado) Esperienze di immersione della paraffina (che galleggia ad esempio in acqua e affonda in alcool) in liquidi diversi e osservazione di cubetti di ghiaccio immersi in acqua, olio e alcool. Discussione in classe per una classificazione dei fenomeni. ALLA SCOPERTA DELLE FORZE IN GIOCO (FORZA PESO E SPINTA DI ARCHIMEDE) Scuola secondaria di primo grado Si chiede agli allievi di spingere a fondo oggetti che galleggiano e osservare cosa succede e cosa sentono; utilizzare oggetti con lo stesso volume ma pesi diversi oppure oggetti fatti dello stesso materiale ma con volumi diversi, oggetti con stessa forma ma di materiali diversi. Utilizzando il dinamometro (può andare bene anche un elastico o una molla) i ragazzi possono osservare come un oggetto posto in acqua sembra diminuire il peso 6. Interpretazione dei fenomeni osservati Ripetere l esperienza con alcool e con glicerina al posto dell acqua Attraverso misure di peso e volume trovare il peso in acqua di un oggetto Scuola secondaria di secondo grado Utilizzo di piccola strumentazione (bilancia di Mohr e densimetri) Si propone agli allievi, come applicazione del concetto di spinta di Archimede, il funzionamento di densimetri (e/o della bilancia di Mohr) con diversi liquidi (alcol, acqua, glicerina) Alla scoperta della relazione tra galleggiamento e peso specifico degli oggetti Vedi l Unità di Apprendimento: Galleggia? Sta a galla? Affonda? Sta Osservare, descrivere ed interpretare l interazione di materiali con l acqua riconoscendo il fenomeno del galleggiamento. A cura di Paola Majorino e Paola Mesturini (riferimento: PD2\PD2A_galleggiamento/udagalleggia.pdf) pubblicata alla pagina Analizzare il galleggiamento di oggetti cavi fatti di materiali con peso specifico maggiore dell acqua per comprendere il fatto che la presenza dell aria influisce sul peso specifico dell oggetto. E se si cambia il liquido? 6 vedi protocolli ragazzi

5 Ripresa delle osservazioni fatte nelle esperienze precedenti per analizzare il diverso comportamento degli oggetti/materiali in liquidi diversi Utilizzo delle tabelle dei pesi specifici per prevedere se un oggetto omogeneo fatto di un determinato materiale galleggia o meno in un liquido Scuola secondaria di secondo grado Si potrebbe iniziare anche qui con le esperienze libere (naturalmente facendo tutto più velocemente) per verificare se tutto quello detto precedentemente è stato acquisito? In modo da partire conoscendo ciò che sanno i ragazzi? Misure di peso e volume di oggetti e rappresentazione sul piano cartesiano delle coppie ordinate di numeri (volume, peso) relative ad ogni oggetto (volume sull asse x e peso sull asse y) e elaborazione grafica dei dati (retta, coefficiente angolare) Si propone agli allievi di misurare il rapporto tra peso e volume di oggetti di forma regolare/irregolare costituiti da diversi materiali con peso specifico superiore a quello dell acqua (uso di piccoli dispositivi di misura: calibro, dinamometro, cilindro, buretta) e di rielaborare graficamente i dati su un grafico cartesiano.