Le trasformazioni fisiche. A cura di M. Falasca, G. Guaglione, L. Lucesole

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1 Le trasformazioni fisiche A cura di M. Falasca, G. Guaglione, L. Lucesole 1

2 SOMMARIO Scheda...3 Introduzione...4 Descrizione attività...5 Investigazione I materiali occupano lo spazio?...6 Investigazione La massa dei materiali si conserva?...6 Investigazione La massa dei materiali si conserva?...7 Investigazione La massa dei materiali si conserva?...9 Investigazione Come si misura la massa dei gas? Investigazione Come scopri che il materiale consegnato non è d oro? Investigazione Come identifichi i 2 metalli? Investigazione C è meno spazio vuoto fra le molecole d acqua oppure fra quelle dell altro liquido? Investigazione Quali sono le principali proprietà dei materiali? Investigazione Quali sono i principali passaggi di stato dei materiali? Investigazioni 12, Indicazioni metodologiche Spunti per un approfondimento disciplinare Elementi per prove di verifica Altre attività con gli studenti Bibliografia e sitografia Protocollo per la sperimentazione

3 Scheda Obiettivi dell'attività (lato docente e lato studente): L investigazione è un metodo d insegnamento/apprendimento che deve essere perseguito in profondità durante tutto il percorso della scuola secondaria di primo grado. La non continuità nelle investigazioni e nel problem solving crea le condizioni per un progressivo intorpidimento delle attitudini alla ricerca, in definitiva porta alla ricezione passiva e alla conoscenza inerte. Va utilizzato inoltre l apprendimento cooperativo, attraverso tecniche che assicurino l interdipendenza positiva e che garantiscano l insegnamento delle abilità sociali e degli altri elementi caratteristici dell apprendimento cooperaivo. Tale apprendimento permette la discussione ordinata, promuove il senso di collaborazione e dà la possibilità di creare le zone di sviluppo prossimale indispensabili per un apprendimento significativo. 1. Eseguire semplici misure dirette e indirette utilizzando le unità di misura del Sistema Internazionale (SI). 2. Progettare semplici investigazioni. 3. Classificare i materiali in base al loro stato fisico. 4. Identificare i materiali attraverso alcune proprietà fisiche (colore, solubilità, densità). 5. Descrivere e spiegare i passaggi di stato. 6. Distinguere le trasformazioni fisiche dalle trasformazioni chimiche. Competenze/ abilità (lato studente) 1. Osservare, descrivere, confrontare, correlare gli oggetti della realtà circostante, cogliendone somiglianze e differenze e operando classificazioni. 2. Applicare le unità di misura del Sistema Internazionale anche nella risoluzione di problemi reali. 3. Classificare i materiali in base al loro stato fisico e spiegare le curve di riscaldamento e di raffreddamento dei passaggi di stato. 4. Utilizzare le principali tecniche di separazione dei materiali (filtrazione e distillazione). 5. Usare modelli e teorie per rafforzare la competenza nelle interpretazioni e nelle spiegazioni delle osservazioni. 3

4 6. Usare il corretto linguaggio scientifico in tutte le comunicazioni scritte dei fenomeni indagati e descritti. Tempo medio per svolgere l'attività in classe La singola investigazione è preceduta da domande ed è seguita dalla discussione, dalla costruzione della comprensione competenza e dalla compilazione della scheda, che accompagna ciascuna investigazione. Siccome le attività proposte sono 19, sarà la scelta oculata del docente a stabilire il numero delle investigazioni e il relativo percorso, tenendo presente che non si dovrebbero superare le 10 ore complessive, nel primo anno di corso. Si consiglia di realizzare dei percorsi a stazioni (per esempio, sistemando le prime 5 investigazioni e le seconde 6 in due distinte sessioni a stazioni), perché gli allievi possano lavorare in piccoli gruppi cooperativi. Ogni stazione sperimentale sarà accompagnata da una scheda di lavoro, che servirà da guida all osservazione e come schema per registrare le considerazioni finali e le misure. Il percorso che suggeriamo è il seguente: riservare 6 ore per le prime 11 investigazioni, suddivise in stazioni, come mostrano i filmati allegati; le restanti 4 ore serviranno per lo studio dell acqua e delle sue implicazioni ambientali. Una modalità importante, per riflettere mecognitivamente sulle diverse investigazioni, è la costruzione finale di una mappa concettuale. La costruzione della mappa si può fare mediante il software gratuito messo a disposizione dall Institute for Human and Machine Cognition della Università della Florida, scaricabile dal seguente sito: Introduzione Che ogni disciplina abbia una sua struttura con poche idee centrali, fra loro saldamente interconnesse, l aveva spiegato, nel 1978, il filosofo della scienza Joseph Schwab. Il filosofo scriveva allora che i docenti devono comprendere a fondo la struttura della propria disciplina, se vogliono realmente aiutare gli studenti a conquistare le nuove conoscenze ed abilità. Quali sono i concetti centrali che sorreggono l impalcatura di una disciplina e come si connettono l uno all altro? In particolare, quali sono le idee di base della Chimica e della Fisica da proporre agli allievi della Scuola Secondaria di Primo grado? Le spiegazioni riguardanti le grandezze fisiche del Sistema Internazionale avverranno all interno delle 16 investigazioni proposte nel primo anno. Si può cominciare dal Sistema Internazionale di misura e utilizzare le grandezze fondamentali (per esempio, chilogrammo kg, secondo s, metro m, temperatura in gradi centigradi e in gradi kelvin, C e K) e le grandezze derivate (area, volume, densità) per misurare oggetti comuni (le tre dimensioni dell aula, la sua temperatura, il volume d aria nell aula e la sua massa, sapendo che la densità dell aria, a temperatura ambiente, è di 1,2 g/l). Proporre anche attività con oggetti 4

5 con forme regolari (sfere, cubi, cilindri, i parallelepipedi delle confezioni sotto vuoto di caffè, riso, zucchero) oppure irregolari (sassi, frammenti di vetro, trucioli metallici). Conviene proporre problemi pratici come questo: senza avere a disposizione un recipiente con acqua, possiamo stabilire se una palla da Bowling galleggia o affonda? Come? Se il nostro mondo dovesse improvvisamente sparire, perché distrutto da un cataclisma, l unico concetto col maggior numero di informazioni da tramandare ai posteri, sosteneva Richard Feynman, è questo: tutti gli oggetti sono formati da atomi [o da molecole], particelle piccolissime che si muovono in ogni direzione [nello spazio vuoto che le circonda], senza mai fermarsi. Nella proposta didattica seguente c è un unico filo che tiene insieme le tre Unità del percorso: la teoria atomica molecolare della materia. La teoria si articola in alcuni concetti, fra loro interconnessi, che saranno costruiti, passo dopo passo, partendo dalle investigazioni macroscopiche. Le investigazioni sul mondo microscopico saranno realizzate nella seconda Unità (per complessive 10 ore) e durante il terzo anno della Scuola Secondaria di primo grado. La terza Unità (da completare in 15 ore) riguarderà le Trasformazioni chimiche, che sarà studiata nel terzo anno. Descrizione attività Molti materiali, che usi nelle tue attività, sono fluidi. L acqua che bevi è un fluido, che si trova allo stato liquido. L aria che respiri è pure un fluido, che cataloghi come gas. Se rifletti sulla natura dei fluidi, con cui vieni a contatto quotidianamente, scopri che essi sono spesso delle soluzioni. L aria è una soluzione, principalmente di due gas. Quali sono i due più importanti gas del fluido che circonda la Terra? Il galleggiamento, per esempio dell olio sull acqua, il comportamento dei fluidi alle variazioni di temperatura e pressione sono proprietà da indagare per la identificazione dei fluidi liquidi e gassosi. Una importante proprietà di tutti i materiali, siano essi solidi, liquidi o gassosi, è la misura della compattezza del materiale, ossia della massa del materiale nell unità di volume, che chiami densità. La densità è una misura di quanto le particelle piccolissime, che compongono tutti i materiali, sono pigiate in un dato spazio. Se versi in un bicchiere l acqua di una brocca piena, la densità dell acqua nel bicchiere è uguale o diversa da quella rimasta nella brocca? La densità non è la massa e né il volume dell acqua prelevata, ma è uguale al rapporto fra la massa e il volume dell acqua. Quindi, l acqua del bicchiere, di tutta la brocca o di una sola goccia avranno la stessa densità. La densità dei materiali dipende sia dalla massa, delle particelle microscopiche del materiale, sia dalla distanza che separa le particelle. L osmio è la sostanza più densa (22,6 g/cm 3 ) che esista sulla Terra, anche se la massa del suo atomo è minore della massa dell atomo d oro, dell atomo di piombo e di tutti gli altri elementi, che vengono dopo l osmio sulla Tavola Periodica. Nei tre anni di Scuola Secondaria di Primo grado, la Tavola Periodica sarà utilizzata solo per ricavare informazioni sulla massa, sulla densità, sul punto di fusione e sul punto di ebollizione degli elementi. Volendo spiegare la maggiore densità dell osmio, dobbiamo anche tenere conto del numero di atomi del metallo presenti in un determinato volume. In sostanza, in 1 cm 3 di osmio ci sono molti più atomi di questo metallo che gli atomi in 1 cm 3 d oro o in 1 cm 3 di piombo. Insomma, c è più spazio vuoto fra gli atomi più pesanti d oro o di piombo che fra gli atomi di osmio. Qual è l unità di misura di questa grandezza derivata? La densità si può misurare in g/cm 3 oppure in kg/m 3, che rimane l unità ufficiale del SI. La densità dell acqua, espressa 5

6 nelle due unità di misura, è la seguente: 1 g/cm 3 = 1000 kg/m 3. Per passare da g/cm 3 a kg/m 3 si moltiplica per mille la densità in g/cm 3. Dopo aver investigato e raccolto dati, è conveniente introdurre, a piccole dosi, il modello particellare, per aiutare gli studenti a costruire il legame concettuale fra mondo macroscopico e mondo microscopico dei materiali. Investigazione 1 I materiali occupano lo spazio? Il docente prende una bottiglia di vetro e la fa vedere alla classe. La bottiglia è piena o vuota? Il docente chiude la bottiglia con un tappo di gomma forato. Nei due buchi del tappo pone un imbuto a gambo molto lungo oppure un imbuto normale allungato con un tubicino di plastica, mentre l altro buco si chiude con una bacchetta di vetro. Se versi un liquido colorato nell imbuto, cosa osservi? Come puoi riempire la bottiglia col liquido colorato? Un fluido invisibile è forse contenuto nella bottiglia? Qual è il volume della bottiglia espresso in litri (L), in dm 3, in cm 3 e in m 3? Investiga per trovare una risposta ai diversi interrogativi. Per problemi pratici, a volte non si riesce a raggiungere una buona chiusura dei buchi nel tappo. Presentiamo nel filmato allegato un dispositivo efficace, costituito da materiali di basso costo e utile in un altro esperimento relativo all unità 3 (modello particellare): a) una beuta da 250 ml chiusa da un tappo di gomma forato; b) un semplice tubo di vetro inserito nel tappo di gomma (noi ne abbiamo impiegato uno con rubinetto, che servirà nell unità 3; c) un tubo di gomma collocato (a tenuta) nell estremità del tubo di vetro; d) un imbuto inserito nel tubo di gomma. Il liquido colorato rimane nell imbuto ma, se si muove leggermente il tappo di gomma, scende rapidamente nella beuta. E interessante far notare agli studenti come una impercettibile fessura, tra il tappo e il collo della beuta, provochi la discesa di tutto il liquido. Se si proverà a tappare nuovamente la beuta, subito dopo la discesa del liquido, si sentirà una certa resistenza. Come spieghiamo il fenomeno? Investigazione 2 La massa dei materiali si conserva? Si formano i gruppi di 3 4 allievi che collaborano. Ciascun gruppo pesa sulla bilancia digitale un becher con acqua e un cubetto di ghiaccio. Controlla poi la massa finale del becher, dopo la fusione del ghiaccio e la sua trasformazione in acqua. Come si chiama la trasformazione fisica del ghiaccio in acqua? Come si chiama la trasformazione della neve in acqua? Il ferro solido può diventare liquido? Il gruppo consulti la Tavola Periodica per trovare a quale temperatura il ferro diventa liquido. Gli allievi useranno la Tavola Periodica soltanto per trovare i valori delle seguenti grandezze degli elementi metallici e non metallici: densità, temperatura di fusione, temperatura di ebollizione. Gli altri dettagli teorici e sperimentali della Tavola Periodica saranno spiegati alla Scuola Secondaria di Secondo grado. Sulla stessa bilancia il gruppo pesa un becher contenente alcune parti di Lego montate. Successivamente, smonta il Lego e misura nuovamente la massa delle parti del Lego nello stesso becher. 6

7 La massa del lego montato è diversa dalla massa del Lego smontato? Il modello macroscopico del Lego montato o smontato può spiegare la fusione del ghiaccio, della neve, del cioccolato, della cera, della gelatina (prima sciolta in acqua e poi consolidata in frigo) e del ferro? Nei due casi esaminati, del ghiaccio e del Lego, la massa si conserva? Qual è la massa espressa in kg, in g e in mg? Qual è l unità di misura della massa secondo il Sistema Internazionale? Gli allievi discutono le idee ed arrivano a una conclusione condivisa, che registrano sui propri quaderni. Investigazione 3 La massa dei materiali si conserva? Si costituiscono i gruppi di 3 4 allievi e si distribuisce il materiale: becher, sabbia, imbutino, acqua, bilancia digitale, carta da filtro. Mescolando sabbia e acqua in un becher la massa si conserva? Per filtrazione si recupera la sabbia. Puoi chiamare la sabbia e l acqua un miscuglio di particelle macroscopiche visibili, che puoi separare per filtrazione? Qual è la massa del becher in kg, in g, in mg, in ng? Come si costruisce un filtro di carta. Da G.Valitutti ed altri Lineamenti di chimica Zanichelli. Col permesso della casa editrice. Investigazione 4 La massa dei materiali si conserva? Si costituiscono i gruppi di 3 4 allievi e si distribuisce il materiale: becher, sale, acqua, bilancia digitale. Se versi il sale da cucina in acqua ed agiti, il sale sciolto esiste ancora? La massa si conserva anche se il sale si scioglie e non è più visibile? Puoi chiamare le soluzioni, come quella di acqua e sale, miscugli di particelle microscopiche invisibili? Sei capace di recuperare il sale per filtrazione, come hai separato la sabbia? Come si ottiene nuovamente il sale solido diventato invisibile? 7

8 Che cos è l acqua del mare? Come rendi visibile il sale sciolto nell acqua marina? Lo zucchero si scioglie più velocemente in acqua calda oppure in acqua fredda? Le particelle invisibili di zucchero dove sono finite? Sei capace di recuperarle? Qual è la massa del sale recuperato da 1 L di acqua di mare, espressa in kg, in g e in mg? 8

9 Investigazione 5 La massa dei materiali si conserva? Si costituiscono i gruppi di 3 4 allievi e si distribuisce il materiale: becher, cucchiaino di plastica, acqua, bilancia digitale, carta assorbente. Il gruppo prende un foglio di carta assorbente e determina la sua massa sulla bilancia, che viene annotata sul quaderno di ciascun allievo in kg, in g e in mg. Si versa sulla carta un cucchiaino d acqua. Si discute nel gruppo e poi si registra sui quaderni la massa della carta assorbente umida e si descrive cosa è accaduto. Quando la carta assorbente è asciutta, misura e registra la nuova massa. Dove è andata a finire l acqua? Dopo discussione, descrivi sul quaderno il tuo pensiero. L acqua si è trasformata in un gas invisibile? Come puoi dimostrare che in un sistema chiuso la trasformazione non subisce cambiamenti di massa? Se la massa non cambia, come lo possiamo spiegare? Come chiami questo processo? Cosa avviene mettendo ad asciugare i panni al sole? Puoi dire che l acqua sparisce e si trasforma in un gas invisibile, formato da particelle microscopiche, che non riesci a vedere? Qual è la massa di una camicia umida in kg e in g? Qual è la massa della camicia asciutta, sempre in kg e in g? In cucina sta bollendo una pentola d acqua sul fornello. Sotto quale forma l acqua si trasferisce dalla pentola che bolle e fa appannare il vetro della finestra? Il vapore che si trasferisce è visibile o invisibile? 9

10 Investigazione 6 Come si misura la massa dei gas? Misurare la massa di solidi e liquidi è una procedura relativamente semplice. Per i solidi è sufficiente porre l oggetto solido sul piatto di una bilancia digitale e leggere la massa sul display, generalmente espressa in grammi. Per i liquidi la determinazione della massa è leggermente più complessa. Il liquido viene posto sul piatto della bilancia nel suo contenitore; perciò, alla massa totale recipiente + il liquido si deve sottrarre la massa del recipiente. Il fluido, in cui siamo immersi e che respiriamo, ossia l aria, è un materiale. Come puoi dimostrare che anche l aria ha una massa? Conviene usare un palloncino di gomma oppure una bottiglia vuota per misurare la massa dell aria? La procedura che l insegnante consiglia è la seguente. L insegnante mostra alla classe una beuta codata e una pompa manuale per fare il vuoto. Una beuta codata, la pompa per fare il vuoto e la pinza di Hoffmann. La beuta codata viene tappata saldamente e viene collegata con la pompa manuale (Kartell, rintracciabile con Internet) mediante un tubo di gomma, che si può chiudere con una pinza di Hoffman. Dopo aver collegato la pompa alla beuta, si fa il vuoto e si stringe la pinza, per impedire la penetrazione dell aria. La beuta si pone sulla bilancia digitale e si azzera. Allentando di poco la pinza di Hoffman, si lascia entrare l aria e si registra la sua massa, che si legge direttamente sul display della bilancia. Presentiamo nel filmato allegato una variante del dispositivo sopra descritto, costituito da materiali di basso costo, versatile e utile in altri esperimenti relativi al modello particellare: a) una beuta da 1000 ml con collo interno smerigliato e cono femmina normalizzato 29/32; b) un raccordo curvo con rubinetto in teflon e cono maschio normalizzato 29/32; c) pompa manuale da vuoto. Per consolidare il concetto appreso si può guardare il seguente filmato. 10

11 Investigazione 7 Come scopri che il materiale consegnato non è d oro? Ai gruppi di 3 4 allievi si consegnano un piccolo campione di un minerale di color oro (pirite), una bilancia digitale, un cilindro graduato da 100 ml, acqua e la Tavola Periodica. Gli allievi dovranno misurare la massa e il volume del minerale e poi calcolare la densità [d = massa (g) / volume (cm 3 o ml) ]. Infine, la densità calcolata sarà confrontata con quella dell oro, che si legge sulla Tavola Periodica. Se il minerale consegnato fosse oro, quale sarebbe la sua massa? Investigazione 8 Come identifichi i 2 metalli? Ai gruppi di 3 4 allievi si consegnano due piccoli cilindri o prismi metallici verniciati, una bilancia digitale, un calibro e una Tavola periodica. Gli allievi dovranno misurare la massa e calcolare il volume e la densità [d = massa (g) / volume (cm 3 o ml) ] dei due cilindri. I metalli da identificare, per confronto delle densità calcolate con quelle della Tavola Periodica, potrebbero essere i seguenti: zinco e rame. Qual è il più denso metallo identificato? Qual è il meno denso? Confronta la massa atomica dei metalli identificati, che leggi sulla Tavola Periodica, con le rispettive densità. Il metallo con massa atomica più grande ha pure una densità più elevata? Le eventuali anomalie riscontrate come possono essere spiegate? C è maggiore spazio vuoto fra gli atomi di zinco o fra gli atomi di rame? Per rispondere rileggi il citato esempio dell osmio, la sostanza più densa presente sulla Terra. 11

12 Investigazione 9 C è meno spazio vuoto fra le molecole d acqua oppure fra quelle dell altro liquido? Si mostrano agli studenti due bicchieri identici, che contengono due liquidi incolori e trasparenti. Si cammina in lungo ed in largo per l aula, mostrando i due becher, ma evitando di far sentire l odore dei liquidi. Si chiede: Cosa accadrà se facciamo scendere nei due becher un cubetto di ghiaccio per parte? Quali ipotesi proponete? Si confrontano le idee nei gruppi e poi con l intera classe. Parla uno dei componenti del gruppo, a scelta del docente. Si registrano le osservazioni sulla lavagna. Si esegue l esperimento: il ghiaccio affonda in uno dei due liquidi e galleggia nell altro. Si chiede: Perché il ghiaccio affonda nel liquido A e galleggia nel liquido B? Si fanno parlare i ragazzi e si elencano le ipotesi e le prove da fare, per verificare la correttezza delle ipotesi. Ipotesi degli studenti Possibili test di prova delle ipotesi I cubetti che sembrano ghiaccio sono fatti di due diversi materiali. Scambiare i cubetti e introdurli nei due liquidi. L'acqua in uno dei due recipienti è calda. Permettere agli studenti di toccare i recipienti. L acqua nel recipiente B è salata. Aggiungere il sale ad A. Il liquido A è, ad esempio, aceto. Mettere aceto in un terzo becher e poi aggiungere un cubetto di ghiaccio. I liquido A è alcol. Permettere agli studenti di odorare il contenuto del becher. Come si determinano la densità dell alcol e dell acqua, avendo a disposizione un cilindro graduato e una bilancia digitale? Se i due liquidi hanno una diversa densità, possiamo stratificare il liquido meno denso sull altro? Per realizzare questo esperimento ci vogliono i seguenti materiali: un becher da 250 ml, due becher pieni da 100 ml, contenenti rispettivamente acqua colorata in blu e alcol colorato in giallo. Per colorare i liquidi si usano i coloranti per alimenti. Mettiamo nel becher grande 100 ml di acqua colorata in blu e su di essa stratifichiamo, lentamente, 100 ml di alcol colorato in giallo. Successivamente, se introduciamo lungo la parete del becher un cubetto di ghiaccio, dove andrà a collocarsi? Qual è il liquido più denso? Qual è il liquido meno denso? Sapendo che la massa della molecola d alcol è due volte e mezzo più pesante della massa di una molecola d acqua, perché la densità dell alcol è minore? In 1 cm 3 d acqua ci sono più o meno molecole che in 1 cm 3 d alcol? Dove c è maggiore spazio vuoto fra le molecole? Nel gruppo si discutono le domande e poi si confrontano le idee con l intera classe, per arrivare a una conclusione condivisa di allievi e docente. 12

13 Investigazione 10 Quali sono le principali proprietà dei materiali? Per rispondere a questa domanda gli allievi, suddivisi in gruppi di 3 4 unità, investigheranno su alcune proprietà dei materiali (stato fisico, colore, odore, solubilità, densità). Ai gruppi di 3 4 allievi si consegnano i seguenti materiali: due bottiglie con due liquidi (A contiene acqua; B contiene benzina per smacchiare), due vetri di orologio con due solidi (C contiene zolfo; D contiene sale da cucina), due provette, una spatola e fazzoletti di carta. Descrivi e compara i quattro materiali A, B, C, D (due liquidi e due solidi). Quali sono gli stati fisici, i colori e gli odori osservati? Che tipo di miscuglio formano i due liquidi? Quale liquido galleggia? I due solidi che tipo di miscuglio formano? I due solidi si sciolgono in acqua? Quale miscuglio formano con l acqua? I due solidi si sciolgono in benzina? Qual è la densità dei due liquidi espressa in g/cm 3, in kg/m 3? Quanti grammi ci sono in 1 kg? Quanti dm 3 oppure cm 3 ci sono in 1 m 3? Investigazione 11 Quali sono i principali passaggi di stato dei materiali? Si costituiscono i gruppi di 3 4 allievi e si distribuisce il materiale: becher, ghiaccio, acqua, termometro, fornello elettrico. A che temperatura fonde il ghiaccio? Puoi scoprirlo tramite una investigazione. Metti il ghiaccio e l acqua in una pentola. Qual è la temperatura del ghiaccio che sta fondendo? Ora riscalda lentamente il miscuglio acqua ghiaccio. Registra le temperature del miscuglio acqua ghiaccio ogni minuto. Qual è la temperatura dell acqua, quando il ghiaccio è fuso quasi del tutto? Trasforma la temperatura di fusione da C in K. Come puoi far bollire l acqua? Anche in questo caso usi il fornello elettrico oppure la fiamma del gas. Progetta un esperimento per scoprire a che temperatura bolle l acqua. Sposta in continuazione il termometro nell acqua durante il riscaldamento e registra le temperature sia in C che in K, dopo ogni minuto. 13

14 Come si costruisce la scala termometrica in C. Da G.Valitutti ed altri Lineamenti di chimica Zanichelli. Col permesso della casa editrice. Al termine della fusione del ghiaccio, costruisci il grafico della fusione mettendo in ascisse i tempi e in ordinate le temperature, sia in C che in K. Costruisci pure il grafico dell ebollizione dell acqua con le stesse modalità. Quest ultima investigazione, per questioni di sicurezza, è condotta da un solo gruppo e con la regia del docente. Se continui a riscaldare, l acqua in che cosa si trasforma? Altri passaggi di stato possono essere progettati con i seguenti materiali: fusione del cioccolato su bagnomaria (ridotto in scaglie sottili), fusione della cera (trasformata in scaglie), fusione della gelatina sciolta in acqua e consolidata in frigo. Investiga e trova le temperature di fusione del cioccolato, della cera e della gelatina. Quali sono le temperature di fusione approssimate di cioccolato e cera espresse sia in C che in K. I passaggi di stato. Da G.Valitutti ed altri Lineamenti di chimica Zanichelli. Col permesso della casa editrice. Quali sono le somiglianze e quali le differenze fra i tre stati della materia? Se raffreddi il vapore d acqua, cosa ottieni? Se raffreddi l acqua sotto lo 0 C cosa ottieni? Quali sono i passaggi di stato che richiedono il riscaldamento e quali il raffreddamento dei materiali? L acqua che diventa ghiaccio o diventa gas (vapore) è sempre acqua oppure è diventata un altra sostanza? 14

15 Quale stato dell acqua è più comprimibile? Perché? A livello macroscopico, perché il ghiaccio è diverso dall acqua e dal vapore? Se riscaldi il ferro ad una temperatura sufficientemente elevata, puoi ottenere il ferro liquido oppure il ferro vapore? E se riscaldi l oro puoi avere l oro liquido e l oro gassoso? Consulta la Tavola Periodica e trova le risposte a questi due ultimi quesiti. Annota le temperature di fusione e di ebollizione di ferro ed oro sia in C che in K. La mappa concettuale seguente riassume le diverse trasformazioni fisiche. Sul sito dell INDIRE si trova la mappa multimediale con tutte le esperienze e gli ipertesti, indicati da icone sotto i concetti, che si possono aprire, vedere e leggere. Investigazioni 12, - 19 "Acqua, acqua ovunque, e nemmeno una goccia da bere" Antico detto della marineria Per avere un idea dell acqua potabile disponibile sulla Terra, usa come modello una bottiglia da 1 litro. Il 97% dell acqua del nostro pianeta è l acqua salata degli oceani ossia 970 ml del modello bottiglia. Dei restanti 30 ml buona parte è acqua dolce inutilizzabile, perché sotto forma di ghiaccio al Polo Nord e al Polo Sud. I laghi e i fiumi, che sono le normali fonti di acqua dolce, contengono soltanto lo 0,34% dell acqua, cioè solo 1 ml, dei restanti 30 ml d acqua dolce. La cultura dell'acqua Chiedete agli studenti di riflettere su come l acqua condizioni la vita di ogni giorno e su come influenzi la cultura. Per raccogliere e registrare le informazioni raccolte dagli allievi viene creato una tabella di classe (utilizzando la lavagna o un videoproiettore) che comprenda tutte le discussioni. Ad ogni studente viene chiesto di relazionare su un argomento, scelto fra i seguenti. 12. Acqua e cultura In che modo il valore dell'acqua nella tua comunità è riflesso nelle cerimonie (religiose o laiche) o nell'arte, nella musica, nella poesia, ecc.? 13. La vostra fonte di acqua Da dove viene la tua acqua? Com è? Descrivi la disponibilità generale di acqua dove vivi. 14. Utilizzo giornaliero Descrivi un giorno della tua vita in cui si fa riferimento all acqua. Nella descrizione deve essere inclusa come viene utilizzata l acqua: in casa; nella tua comunità; nel tuo luogo di lavoro o di studio. 15

16 15. Ambiente/Agricoltura La qualità dell'acqua della tua zona ha avuto dei miglioramenti o dei peggioramenti, a causa dei cambiamenti avvenuti nella tua comunità o nell ambiente? 16

17 16. Salvaguardia In che modo la tua comunità salvaguarda l'acqua? È riciclata? In caso affermativo, come e a quale scopo? 17. Salute e nutrizione E pulita la tua acqua? Quali passi la tua comunità adotta per assicurarsi che non sia inquinata? Quali passaggi fanno le famiglie per assicurarsi che hanno accesso ad acqua pulita? Se la tua acqua non è pulita, qual è la causa della contaminazione? Come funziona questo impatto nella tua comunità? 18. Ricreazione I bambini fanno giochi d acqua? In caso affermativo, descrivi i giochi. Gli sport d acqua sono popolari nella tua comunità? 19. Trasporti Vivi vicino a un lago, a un fiume, al mare? In caso affermativo, come sono le vie navigabili utilizzate per viaggiare e trasportare le merci? Chiedere agli studenti quali generalizzazioni possono essere tratte dalle informazioni raccolte. Registra queste informazioni su un foglio organizzatore. Compiti per casa: gli studenti devono utilizzare lo stesso grafico organizzatore per scrivere le risposte dei familiari sul tema: "L acqua nella vita quotidiana: la nostra cultura". Dopo che gli studenti hanno completato i loro organizzatori sull'acqua nella nostra cultura, si deve spostare il dibattito su come l'acqua è utilizzata in vari paesi africani. Secondo le stime ONU, nel mondo attuale circa di persone non hanno accesso all acqua potabile. La scienza e la tecnologia, se utilizzate in modo democratico, possono far fronte a queste emergenze. Bisogna ricordare agli studenti che saranno loro a raccogliere le informazioni sull impiego di acqua in un determinato paese africano. Prima di fare la ricerca, si deve spiegare la differenza tra risorse primarie e secondarie. In questa sezione, gli studenti utilizzeranno risorse secondarie per raccogliere informazioni. Indicazioni metodologiche Quale metodologia usare per l insegnamento delle Scienze nella Scuola Secondaria di primo grado? Per Martin Wagenschein ( ), fisico ed educatore tedesco, la lezione di scienze, dovrebbe iniziare sempre con un investigazione su fenomeni. Che cos è un fenomeno? Mi sembra di aver capito, ha scritto uno studente di Wagenschein, che un fenomeno comprenda sia ciò che vediamo ed osserviamo, che ci procura stupore e meraviglia, sia la riflessione e il pensiero su quanto visto e toccato. Così qualcosa di esterno (l osservazione) e qualcosa dentro di noi (il pensiero critico prima e la riflessione meta cognitiva poi, su quanto osservato) si mettono insieme e diventano quello che noi chiamiamo fenomeno. Nella scuola secondaria di primo grado gli studenti devono essere impegnati in una serie di problemi, che si risolvono 17

18 mediante investigazioni sugli oggetti o sull ambiente. Gli studenti apprendono le trasformazioni fisiche e chimiche della materia, per esempio, durante l investigazione sulla qualità dell aria o dell acqua della comunità in cui vivono. Tale approccio può determinare un cambiamento concettuale profondo e comportare la costruzione di nuovi concetti, l elaborazione delle preesistenti strutture concettuali, la ristrutturazione della rete di concetti posseduti, per aggiungerne di nuovi, il consolidamento del livello di comprensione. Qualsiasi cambiamento concettuale è sempre apprezzabile, perché ha una forte componente metacognitiva, che favorisce la crescita intellettuale degli allievi. Le attività proposte servono per rendere consapevoli gli studenti delle loro idee iniziali e per correggere gli eventuali concetti errati. Le tecniche didattiche da usare sono diverse. Agli studenti si può chiedere di fare delle previsioni sull evento e di spiegare le ragioni della previsione fatta. Tale tecnica attiva le loro idee iniziali e rende gli allievi coscienti del proprio pensiero. La discussione in classe, fra pari, evidenzia poi altre idee alternative. Infine, il confronto di idee diverse fa emergere la necessità di risolvere i conflitti concettuali. Ciascun gruppo dovrà argomentare, attraverso una sintesi scritta, i passi attraverso i quali è giunto alla soluzione. Seguirà una discussione e un confronto collettivo, per arrivare ad una formalizzazione, da parte dell insegnante, dei concetti emersi dall attività. Spunti per un approfondimento disciplinare Si parte dalla comprensione macroscopica della materia, che comporta una serie misurabile di grandezze, per esempio di temperatura, di volume e di massa, e fornisce una prima risposta agli interrogativi e ai dubbi degli allievi. Partendo da tali esperienze macroscopiche e dai ragionamenti sui modelli interpretativi, gli studenti sono pronti per investigare, descrivere e spiegare sia i fenomeni già noti che quelli nuovi. Elementi per prove di verifica Nella prima Unità le verifiche formative proposte serviranno per consolidare la comprensione delle investigazioni sul mondo macroscopico. 1. Converti in kg le seguenti masse: a) 2500 g ; b) 0,05 mg ; c) 1550 mg ; d) 46 hg. 2. Converti in metri le seguenti lunghezze: a) 34 mm ; b) 5 nm ; c) 26 km ; d) 40 dm. 3. Converti in metri cubi i seguenti volumi: a) 500 L ; b) 3000 cm 3 ; c) 15 km 3 ; d) 23 dm Una massa di 5 g di aria è contenuta in un recipiente di 1 L di volume. Mediante un tubicino si collega questo recipiente con un secondo recipiente vuoto di 3 L. Quale sarà il volume finale del gas e quale la sua massa? 5. In che modo potresti separare un miscuglio contenente frammenti di una roccia insolubile e sale da cucina? Descrivi dettagliatamente la procedura di isolamento dei due materiali. 18

19 6. A parità di massa il volume di tutti i metalli e non metalli solidi è maggiore, uguale o minore del volume dei liquidi, ottenuti dalla loro fusione? Puoi spiegare la tua risposta? 19

20 7. Completa la seguente tabella indicando lo stato fisico delle sostanze A, B, C, D a temperatura ambiente (15 C) e alla pressione di 1 atmosfera. Sostanza t f ( C) t e ( C) Stato fisico A B C D Confronta una soluzione con un miscuglio. Descrivi in che cosa sono simili e quali sono le differenze fra miscuglio eterogeneo e soluzione 9. Se poni un sassolino in un liquido ottieni un miscuglio eterogeneo o una soluzione? 10. Descrivi cosa può accadere mescolando due materiali in polvere solidi 11. Che cosa può accadere, se versi un solido in acqua. Esamina tutte le possibilità e descrivi i procedimenti sperimentali per realizzare le relative investigazioni. 12. Come puoi dimostrare, con un esperimento fatto in casa, che l acqua di rubinetto contiene aria in soluzione? 13. Quali oggetti sono solidi oppure contengono componenti solidi? Indica con una X i materiali con componenti solidi roccia elastico latte ovatta aria fumo nebbia maionese acqua piovana Spiega le tue risposte. 14. Come puoi separare un miscuglio di sale e polvere di rame? A. verso in acqua il miscuglio e filtro B. con una calamita separo il rame dal sale C. verso in acqua il miscuglio e distillo D. separo il rame per filtrazione e poi distillo la soluzione. 15. Completa la seguente mappa concettuale, inserendo i concetti laterali o altri concetti e frasi di collegamento che ritieni più significativi. Per la costruzione della mappa usa il software gratuito Cmap, che puoi scaricare da : 20

21 16. Qual è un miscuglio eterogeneo? A. aria B. acqua di sorgente C. acqua distillata D. acqua di fiume dopo un temporale. Altre attività con gli studenti L insegnante può proporre la seguente attività o altre analoghe, per completare la comprensione dello stato gassoso e della struttura microscopica dei materiali. Muovi nell aria un sacchetto aperto di plastica trasparente e, dopo aver raccolto l aria, chiudi il sacchetto gonfio con un laccio. 1. Come sai che nel sacchetto c è l aria? 2. Puoi sentire l aria, se deformi il sacchetto con le mani? 3. Se premi con forza il sacchetto fra le due mani cosa senti? 4. Il mio amico dice che l aria è formata da molecole tutte uguali. Tu cosa ne pensi? 5. D inverno, quando fa molto freddo, se espelli l'aria dalla bocca, noterai una specie di nebbia bianca. Che cos è quella nebbia? 6. L insegnante ti consegna una beuta codata da 500 ml, con tappo e un tubo di gomma, per collegare il recipiente alla pompa da vuoto, una bilancia digitale al centesimo di grammo, una pinza di Hoffmann e una pompa Kartell per fare il vuoto. Misura massa e volume dell aria e calcola la densità dell aria in g/l. Qual è la densità dell aria in g/cm 3? Sulla Tavola Periodica trova le densità di azoto e ossigeno, i principali gas componenti dell aria, determinate a 0 C e 1 atmosfera di pressione, e confrontale con la densità dell aria, che è stata determinata a circa 20 C e alla pressione di circa 1 atmosfera. Le particelle dei gas a 0 C sono più vicine o sono più lontane che a 20 C, se la pressione esterna è la stessa? Il valore della densità dell aria calcolata a quale densità dei due gas è più vicina? Perché? 21

22 7. Misura le dimensioni della tua aula in metri e calcola il volume d aria in litri [1 m 3 = ( 10 dm) 3 = 1000 dm 3 = 1000 L ] contenuto nell aula. Conoscendo la densità dell aria, calcolata nella precedente attività, qual è la massa dell aria nell aula? È piccola o è grande? L aria nel pallone di plastica è in grado di sostenere il peso dell elefante. Bibliografia e sitografia Bibliografia 1. M. Comoglio e M.A. Cardoso Insegnare e apprendere in gruppo. Il Cooperative Learning. LAS Roma M. Comoglio Educare insegnando. Apprendere ad applicare il Cooperative Learning. LAS Roma P. Ellerani, D. Pavan, Il cooperative learning: una proposta per l orientamento formativo, Tecnodid, Napoli, Feynman, R.P., Leighton, R.D., & Sands, M The Feynman lectures on physics (Vol. 1). Menlo Park, CA: Addison-Wesley Company. 5. Goswami, U. & Brown, A. (1990). Melting chocolate and melting snowmen: Analogical reasoning and causal relations, Cognition, 35,

23 6. D. Johnson, R. Johnson e E. Holubec Apprendimento cooperativo in classe. Erickson Trento Mintzes J.J., Wandersee J.H., Novak J.D. (eds.) (2000), Assessing science understanding, Academic Press, San Diego. 8. Nussbaum, J. (1985). The particulate nature of matter in the gaseous phase. In R. Driver, E. Guesne, & A. Tiberghien (Eds.), Children s ideas in science. Philadelphia: Open University Press. 9. Osborne, R. & Cosgrove, M. (1983). Children s conceptions of the changes of state of water. Journal of Research in Science Teaching, 20, Schwab, J. (1978). Education and the structure of the disciplines. In J. Westbury & N. Wilkof (Eds.) 11. Smith, C., Maclin, D., Grosslight, L., & Davis, H. (1997). Teaching for understanding: A study of students preinstruction theories of matter and a comparison of the effectiveness of two approaches to teaching students about matter and density. Cognition and Instruction, 15, Wagenschein, M. (2000), Teaching to understand: on the concept of the exemplary in teaching. In Teaching as a reflective practice The German didaktik tradition, Lawrence Erlbaum Associates, Publisher I tre più importanti siti internazionali di scienze: Siti italiani: wwwcsi.unian.it/educa

24 Protocollo per la sperimentazione Leggere l attività, le indicazioni metodologiche e gli approfondimenti, individuando i principali nodi didattici. Spiegare per iscritto i nodi didattici e proporre problemi teorici e sperimentali, per verificare abilità e conoscenze. Sperimentare l unità proposta: fare una ricognizione del contesto scolastico in cui si svolgerà l'attività; chiarire gli adattamenti necessari; formulare il progetto didattico relativo; preparare una prova di verifica, per valutare le conoscenze e abilità, simile alle prove OCSE-PISA. Scrivere un diario di bordo (narrazione e documentazione del processo di sperimentazione vissuto in classe). L insegnante dovrà elaborare un diario con l esposizione dell esperimento svolto, di come gli studenti hanno reagito alla proposta didattica, delle difficoltà incontrate nel processo di costruzione di significato e di procedura di soluzione e di come sono state superate le difficoltà. Chiarire i compiti dati agli studenti e le modalità con cui gli studenti stessi sono autonomamente coinvolti nell'apprendimento. Riguardo la gestione della classe, si suggerisce di non mettere semplicemente in gruppo gli studenti, ma di costruire gruppi cooperativi, ovvero gruppi che operino in condizione di forte interdipendenza positiva (per esempio, nella suddivisione dei compiti, dei ruoli e delle risorse, ecc..) e che siano regolati dai principi dell apprendimento cooperativo. E consigliabile utilizzare strutture semplici e versatili. In particolare è importante che si inizi a lavorare con l apprendimento cooperativo informale, ovvero con strutture che prevedano l azione di coppie di studenti. Si curi con particolare scrupolo, prima di iniziare le investigazioni vere e proprie, il processo d insegnamento diretto delle abilità sociali, affinché il clima di classe sia sereno, calmo, vivace ma non caotico, e gli studenti siano il più possibile autoregolati nel rispetto dei compagni. Educare insegnando potrebbe essere il motto da seguire (leggere la bibliografia). 24

25 Un esempio di scheda La bottiglia vuota Investigazione 1 Domande Riempire una bottiglia versando l acqua attraverso l imbuto, inserito nel tappo forato. La bottiglia è piena o è vuota? Come posso accertare la presenza o l assenza di un fluido invisibile nella bottiglia? Classe e tempo impiegato per investigare Prerequisiti teorici e sperimentali Materiali Descrizione della Procedura Dati sperimentali Classe prima della Scuola secondaria di primo grado. Circa 20 minuti per realizzare l investigazione e i restanti 40 minuti per discutere nel gruppo e per compilare la scheda. Nessuno Una bottiglia, un tappo a due fori, un imbuto da inserire nel primo buco e poi allungare il gambo con un tubicino di plastica di circa 10 cm, una bacchettina di vetro per chiudere l altro buco. Bisogna riempire la bottiglia con acqua versata attraverso l imbuto. Per problemi pratici, a volte non si riesce a raggiungere una buona chiusura dei buchi nel tappo. Presentiamo nel filmato allegato un dispositivo efficace, costituito da materiali di basso costo: a) una beuta da 250 ml chiusa da un tappo di gomma forato; b) un semplice tubo di vetro inserito nel tappo di gomma; c) un tubo di gomma collocato (a tenuta) nell estremità del tubo di vetro; d) un imbuto inserito nel tubo di gomma. Il liquido colorato rimane nell imbuto ma, se si smuove leggermente il tappo di gomma, scende rapidamente nella beuta. E interessante far notare agli studenti come una impercettibile fessura, tra il tappo e il collo della beuta, provochi la discesa di tutto il liquido. Gli allievi provano a riempire la bottiglia con l acqua e annotano i risultati. Discussione e Valutazione dei risultati Qual è il fluido contenuto nella bottiglia? Puoi spiegare i risultati della tua investigazione? 25

26 Estensione dell esperienza Se si proverà a tappare nuovamente la beuta, subito dopo la discesa del liquido, si sentirà una certa resistenza. Come spieghi il fenomeno? 26