DISPENSE DI SCIENZE CLASSI PRIME SCUOLA SAN LUIGI GARBAGNATE MILANESE. corso del prof. Michele Liati UNITA' UNO

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1 DISPENSE DI SCIENZE CLASSI PRIME SCUOLA SAN LUIGI GARBAGNATE MILANESE corso del prof. Michele Liati UNITA' UNO METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE, GRANDEZZE E MISURE anno scolastico

2 Nota: La presente unità corrisponde all'unità UNO del volume A del testo Accademia delle scienze adottato. Contiene schede integrative e di approfondimento, riassunti e mappe concettuali e, in generale, tutto quello che è stato spiegato durante le lezioni di scienze, pertanto costituisce uno strumento fondamentale per prepararsi alle interrogazioni e alle verifiche. Inoltre le parti più importanti sono tutte in STAMPATELLO, quindi ben leggibili anche per chi presenta maggiori difficoltà con i caratteri stampati. Legenda dei colori: pagine con riquadro rosso : contengono gli argomenti più importanti da studiare. pagine con riquadro blu : costituiscono parti di approfondimento pagine con riquadro verde: descrivono esperienze pratiche fatte in classe pagine con riquadro arancio: contengono riassunti e mappe

3 LE SCIENZE STUDIANO I FENOMENI (NATURALI) CONCETTI CHIAVE: SCIENZA = DERIVA DA UN TERMINE LATINO, SCIENTIA, CHE SIGNIFICA CONOSCENZA. FARE SCIENZA SIGNIFICA QUINDI CONOSCERE, COMPRENDERE IL MONDO CHE CI CIRCONDA. FENOMENO = IN NATURA, É TUTTO CIÓ CHE ATTIRA LA NOSTRA ATTENZIONE, ATTRAVERSO I NOSTRI SENSI, E CI PONE DELLE DOMANDE. I FENOMENI ATTORNO A NOI: TANTI FENOMENI, TANTI PERCHE' Come si forma la pioggia? Come si forma il ghiaccio? Che cos'è la vita? Perché ci sono le maree? Perché ci sono i terremoti? Perché c'è il giorno e la notte? Perché esistono così tanti animali e piante? Cos'è la luce? Come si forma la grandine? Perché ci sono le eclissi? Come si forma uno tsunami? Di cosa è fatta l'aria? Cos'è il suono? Perché il cielo al tramonto diventa rosso? Come è nata la vita sulla terra? Come si formano le nuvole? Perché ci sono Le stagioni? Come è fatto l'universo? l'immagine riproduce i cartelloni realizzati in classe con i nostri perché sui fenomeni naturali PARLIAMO DI SCIENZE, AL PLURALE, E NON SOLO DI SCIENZA PERCHE' I FENOMENI ATTORNO A NOI SONO TANTISSIMI E LA SCIENZA, NEL CORSO DEL TEMPO SI E' QUINDI DIVISA IN TANTE DISCIPLINE SPECIALIZZATE. 1

4 AL CENTRO DI QUESTE DISCIPLINE SI TROVA LA MATEMATICA, PERCHE' TUTTE LE SCIENZE UTILIZZANO GLI STRUMENTI MATEMATICI PER STUDIARE I FENOMENI. BIOLOGIA FISICA STUDIA GLI ESSERI VIVENTI CHIMICA STUDIA LA MATERIA E I FENOMENI NATURALI MATEMATICA STUDIA LE TRASFORMAZIONI DELLE SOSTANZE GEOLOGIA STUDIA LA TERRA ASTRONOMIA STUDIA I CORPI E I FENOMENI CELESTI STUDIARE = STUDIARE I FENOMENI NATURALI SIGNIFICA CERCARE DI RISPONDERE ALLE DOMANDE CHE CI PONIAMO, USANDO IL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE. LE FASI DEL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE OSSERVARE ATTENTAMENTE IL FENOMENO RACCOGLIERE TUTTI I DATI E LE INFORMAZIONI NECESSARIE FORMULARE LE IPOTESI VERIFICARE LE IPOTESI CON MISURE ED ESPERIMENTI TRARRE LE CONCLUSIONI, FORMULANDO LA LEGGE O LA REGOLA CHE SPIEGA IL FENOMENO 2

5 Esperienza fatta in classe (che puoi provare a rifare a casa) VIBRAZIONE DEGLI ELASTICI Scopo: comprendere le prime fasi del metodo sperimentale attraverso una semplice esperienza. Descrizione: un elastico teso, se 'pizzicato', entra in vibrazione producendo un suono. Se l'elastico è teso su una scatola aperta questa amplifica il suono. Elastici in 'condizioni differenti' producono suono differenti: si sentono suoni più acuti o più gravi (alti o bassi). Domande: A cosa si devono questi suoni diversi, da cosa dipendono? Rispondere a questa domanda significa mettere in relazione questa grandezza (per ora definita solo in maniera qualitativa: il suono più acuto o più grave) con altre grandezze. Quali? Formuliamo le ipotesi: i suoni diversi dipendono da: - la lunghezza dell'elastico - lo spessore dell'elastico - la tensione dell'elastico. 3

6 Esperienza fatta in classe (che puoi provare a rifare a casa) IL PENDOLO Scopo: comprendere tutte le fasi del metodo sperimentale attraverso una esperienza semplice. Descrizione: un pendolo è costituito da un peso attaccato ad un filo o una corda e sospeso ad un sostegno. Il pendolo si dispone, a riposo, lungo la verticale; se viene spostato da questa posizione, inizia ad oscillare. Il tempo impiegato per compiere una oscillazione completa (quando torna al punto di partenza) è detto PERIODO. Domande: da cosa dipende il periodo del pendolo? Rispondere a questa domanda significa mettere in relazione questa grandezza, il periodo del pendolo, con altre grandezze. Quali? Formuliamo le ipotesi: il pendolo potrebbe dipendere: - dall'ampiezza dell'oscillazione (se lo sposto di un angolo maggiore, compie oscillazioni più ampie, e quindi, ipotizzo, con un periodo maggiore) - dalla lunghezza del pendolo - dal peso attaccato al filo. Verifichiamo le ipotesi: verificare le ipotesi significa metterle alla prova dei fatti, facendo delle misure e costruendo degli esperimenti. Prima ipotesi: ampiezze. Provo a prendere due pendoli di lunghezza e peso uguali e provo a farli oscillare contemporaneamente facendoli partire però da ampiezze diverse. Noto che il pendolo con maggior ampiezza di oscillazione compie un percorso più ampio, ma è più veloce. Entrambi i pendoli hanno periodi identici perché passano dalla verticale nello stesso istante. Il periodo non dipende dall'ampiezza di oscillazione (legge dell' ISOCRONISMO per piccole oscillazioni). L'ipotesi è risultata falsa. Seconda ipotesi: lunghezza. Provo a variare la lunghezza del pendolo, misurando il periodo. Trovo che con lunghezze minori il pendolo diventa più veloce, ha periodo più piccoli. Il periodo dipende quindi dalla lunghezza del pendolo. Con diverse misure abbiamo anche scoperto che per raddoppiare il periodo la lunghezza deve quadruplicare. Terza ipotesi: peso. Provo a variare il peso del pendolo (attaccandone altri uguali), misurando il periodo. Trovo che con pesi differenti il periodo resta uguale. Quindi il periodo non dipende dal peso del pendolo. L'ipotesi è risultata falsa. Conclusioni: il periodo del pendolo dipende dalla lunghezza, non dipende dal peso e dall'ampiezza (entro certi limiti, piccole oscillazioni). 4

7 GALILEO GALILEI E LA SCIENZA MODERNA IL LIBRO DELLA NATURA E' SCRITTO NEL LINGUAGGIO DELLA MATEMATICA GALILEO GALILEO E' CONSIDERATO IL PADRE DELLA SCIENZA MODERNA PERCHE' HA INTRODOTTO IL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE. ORIGINARIO DI PISA, IN TOSCANA, SI NARRA CHE UN GIORNO, OSSERVANDO UNA LAMPADA SOSPESA NEL DUOMO DI PISA, INIZIO' A STUDIARE IL FENOMENO DEL PENDOLO, E SCOPRI' LA LEGGE DELL'ISOCRONISMO DEL PENDOLO (PERIODO UGUALE PER OSCILLAZIONI PICCOLE DIVERSE). SUO PADRE, VINCENZO, ERA UN MUSICISTA, COMPOSITORE ED E' PROBABILE CHE PROPRIO DA LUI APPRESE L'UTILIZZO DELLA MATEMATICA NELLO STUDIO DEI FENOMENI NATURALI (LA MUSICA E' MATEMATICA). MIGLIORO' IL CANOCCHIALE E LO UTILIZZO' PER OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE. SOSTENNE LA TEORIA COPERNICANA (IL SOLE AL CENTRO DEL SISTEMA SOLARE) CONTRO QUELLA CONSIDERATA ALLORA VALIDA (LA TERRA AL CENTRO DELL'UNIVERSO). IL TEMPO DI GALILEO L'INTRODUZIONE DEL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE FU FONDAMENTALE PER LA NASCITA DELLA SCIENZA MODERNA. ALL'EPOCA DI GALILEO INFATTI SI CREDEVANO VERE MOLTE COSE SOLO PERCHE' SOSTENUTE DA IMPORTANTI FILOSOFI DEL PASSATO, COME ARISTOTELE. ANCHE UN ALTRO FILOSOFO, INGLESE, FRANCIS BACON (ITALIANIZZATO IN FRANCESCO BACONE) AVEVA PROPOSTO UN NUOVO METODO PER LO STUDIO DEI FENOMENI NATURALI, MA CHE UTILIZZAVA SOLO LE QUALITA' E I DIVERSI GRADI DI QUESTE QUALITA' COINVOLTE NEI FENOMENI. GALILEO FU QUINDI IL PRIMO AD USARE QUANTITA', NON QUALITA', NELLO STUDIO DEI FENOMENI NATURALI. QUANTITA', SIGNIFICA, GRANDEZZE. NELLE SCIENZE, PER UTILIZZARE QUESTE GRANDEZZE, OCCORRE PRIMA DI TUTTO MISURARLE. 5

8 GRANDEZZE E MISURE MISURARE UNA GRANDEZZA (METODO DIRETTO) = VUOL DIRE CONFRONTARLA CON UN'ALTRA GRANDEZZA OMOGENEA, CIOE' DELLO STESSO TIPO, PRESA COME UNITA' DI MISURA, PER STABILIRE QUANTE VOLTE QUESTA E' CONTENUTA NELLA GRANDEZZA DA MISURARE. QUESTO TIPO DI MISURAZIONE SEGUE UN METODO DIRETTO. MA NON SEMPRE E' POSSIBILE MISURARE DIRETTAMENTE UNA GRANDEZZA. SPESSO SI UTILIZZA UN METODO INDIRETTO. PENSA ALLA MISURA DELLA TEMPERATURA, PER ESEMPIO, MISURATA TRAMITE UN TERMOMETRO. METODO DI MISURA INDIRETTO = QUANDO LA MISURA E' FATTA ATTRAVERSO LA VARIAZIONE DI UN'ALTRA GRANDEZZA LEGATA ALLA GRANDEZZA DA MISURARE. IMPORTANTE: L'INCERTEZZA DI UNO STRUMENTO: L'INCERTEZZA DI UNO STRUMENTO E' IL VALORE PIU' PICCOLO CHE LO STRUMENTO E' IN GRADO DI MISURARE UN CERTO METRO POTREBBE PERMETTERE MISURE FINO AL CENTIMETRO, UN ALTRO FINO AL MILLIMETRO. COSI' UNA BILANCIA POTREBBE ARRIVARE AGLI ETTOGRAMMI (COME LE PESA PERSONE), OPPURE ARRIVARE FINO AI GRAMMI (COME LE BILANCE DA CUCINA) LE UNITA' DI MISURA E IL SISTEMA INTERNAZIONALE PER MISURARE UNA CERTA GRANDEZZA SI POTREBBE SCEGLIERE, IN MANIERA CONVENZIONALE, QUALUNQUE GRANDEZZA CHE FACCIA DA UNITA' DI MISURA. NEL PASSATO, INFATTI, ESISTEVANO DIVERSE UNITA' DI MISURARE UTILIZZATE PER UNA STESSA GRANDEZZA. PENSA AL PIEDE, AL PALMO, AL DITO, AL CUBITO, TUTTE UNITA' USATE PER MISURARE LUNGHEZZE E DISTANZE. UNITA' DI MISURA DIVERSE E NON SEMPRE UGUALI NEL TEMPO (INVARIABILI) - DANNO LUOGO A DIVERSI INCONVENIENTI. NEL CORSO DEL TEMPO SI E' PREFERITO SCEGLIERE UNITA' DI MISURA UNIVERSALI E INVARIABILI. NELLE SCIENZE, SI E' QUINDI DEFINITO UN SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA (S.I.) CHE DEFINISCE LE GRANDEZZE FONDAMENTALI E LE UNITA' DI MISURA ADOTTATE (CIASCUNO CON IL SUO SIMBOLO). PRIME GRANDEZZE DEL SISTEMA INTERNAZIONALE GRANDEZZA UNITA' DI MISURA SIMBOLO LUNGHEZZA METRO m SUPERFICIE METRO QUADRATO m 2 VOLUME METRO CUBO m 3 MASSA CHILOGRAMMO kg TEMPO SECONDO s 6

9 * NOTA: SUPERFICIE E VOLUME SONO GRANDEZZE CHE DERIVANO LE LORO UNITA' DI MISURA DA QUELLA DELLE LUNGHEZZE. DEFINIZIONI: LUNGHEZZA= GRANDEZZA CHE MISURA LA DISTANZA GEOMETRICA TRA DUE PUNTI SUPERFICIE = GRANDEZZA CHE MISURA L'ESTENSIONE PIANA DI UN CORPO VOLUME = GRANDEZZA CHE MISURA LO SPAZIO OCCUPATO DA UN CORPO MASSA = GRANDEZZA CHE MISURA LA QUANTITA' DI MATERIA DI UN CORPO CAPACITA' = GRANDEZZA CHE MISURA LA QUANTITA' (VOLUME) DI UN LIQUIDO CONTENUTA IN UN RECIPIENTE LA DIFFERENZA TRA MASSA E PESO ATTENZIONE: MASSA E PESO, SPESSO CONFUSI, RAPPRESENTANO GRANDEZZE DIVERSE. VALE INFATTI : PESO = MASSA X g, dove g è l'accelerazione di gravità,. IL PESO QUINDI DIPENDE DALLA FORZA DI GRAVITA' ESISTENTE TRA I CORPI. NOI SENTIAMO UN PESO PERCHE' SIAMO ATTRATTI DALLA TERRA (E QUESTO DIPENDE DALLA MASSA DELLA TERRA), MA AVREMMO UN PESO DIVERSO SULLA LUNA (CIRCA 1/6) PERCHE' LA LUNA HA UNA MASSA INFERIORE. SULLA TERRA E SULLA LUNA, INVECE, UN CERTO CORPO AVREBBE SEMPRE LA STESSA MASSA. 7

10 PER MISURARE LE GRANDEZZE ABBIAMO BISOGNO DI MULTIPLI E SOTTOMULTIPLI DELLE UNITA' DI MISURA FONDAMENTALI, DEFINITI SECONDO IL SISTEMA METRICO DECIMALE MULTIPLI UNITA' DI MISURA LUNGHEZZA SOTTOMULTIPLI km hm dam m dm cm mm SUPERFICIE km 2 hm 2 dam 2 m 2 dm 2 cm 2 mm 2 VOLUME km 3 hm 3 dam 3 m 3 dm 3 cm 3 mm 3 CAPACITA' kl hl dal l dl cl ml PESO kg hg dag g dg cg mg ATTENZIONE: PER LA MASSA, L'UNITA' DI MISURA FONDAMENTALE - NEL SISTEMA INTERNAZIONALE - E' IL KG (IN ROSSO), NON IL GRAMMO. ATTENZIONE: PER CAPACITA' E VOLUME VALE LA SEGUENTE EQUIVALENZA: 1 l (LITRO) = 1 dm 3 o anche 1 ml = 1 cm 3 8

11 Esperienza fatta in classe (assegnata anche per compito) MISURIAMO UN CORPO DI FORMA IRREGOLARE IL VOLUME E' LA GRANDEZZA CHE MISURA LO SPAZIO OCCUPATO DA UN CORPO. PER MISURARE IL VOLUME DI CORPI (SOLIDI) REGOLARI POSSIAMO UTILIZZARE FORMULE MATEMATICHE. PER MISURARE INVECE IL VOLUME DI UN CORPO DI FORMA IRREGOLARE NON POSSIAMO UTILIZZARE FORMULE MATEMATICHE. POSSIAMO, IN ALCUNI CASI, UTILIZZARE QUESTO METODO: PRENDIAMO UN CONTENITORE GRADUATO (COME QUELLI USATI IN CUCINA) CHE RIPORTI LE CAPACITA' IN CENTILITRI O MILLILITRI. RIEMPIAMO IL CONTENITORE CON DELL'ACQUA FINO AD UN CERTO LIVELLO (AD ESEMPIO, 400 ML) E SEGNAMOCI IL LIVELLO SCELTO. POI IMMERGIAMO IL CORPO DI CUI VOGLIAMO MISURARE IL VOLUME NELL'ACQUA (AD ESEMPIO UN FRUTTO, O COME ABBIAMO FATTO NOI, UNA CANDELA) (ATTENZIONE: OVVIAMENTE POSSIAMO FARLO SOLO CON OGGETTI CHE NON SI ROVINANO O SI DANNEGGIANO IN ACQUA). COSA E' ACCADUTO? IL VOLUME DEL CORPO HA SPOSTATO UN PARI VOLUME DI ACQUA. ORA LEGGIAMO IL LIVELLO RAGGIUNTO DALL'ACQUA (NEL NOSTRO CASO 620 MILLILITRI). E FACCIAMO LA DIFFERENZA TRA IL LIVELLO FINALE E QUELLO DI PARTENZA. ABBIAMO TROVATO: 220 ML. NON ABBIAMO ANCORA FINITO. ORA DOBBIAMO TRASFORMARE I LITRI TROVATI (O MILLILITRI O CENTILITRI) IN METRI CUBI, L'UNITA' DI MISURA DEL VOLUME (O DECIMETRI CUBI, O CENTRIMETRI CUBI), SFRUTTANDO L'EQUIVALENZA: 1 l (LITRO) = 1 dm 3 o anche 1 ml = 1 cm 3 QUINDI NEL NOSTRO CASO, LA CANDELA AVEVA UN VOLUME DI 220 CENTIMETRI CUBI. PROVA A RIFARLO TU CON ALTRI CORPI IRREGOLARI. 9

12 EQUIVALENZE TRA MULTIPLI E SOTTOMULTIPLI DI UNA UNITA' DI MISURA FARE LE EQUIVALENZE VUOL DIRE PASSARE DA UNA UNITA' DI MISURA AD UN SUO MULTIPLO O SOTTOMULTIPLO TRASFORMANDO OPPORTUNAMENTE LA MISURA. PRENDIAMO AD ESEMPIO MULTIPLI E SOTTOMULTIPLI DEL METRO SE 'SALGO' VERSO UNITA' DI MISURA PIU' GRANDI (MULTIPLI), PER OGNI 'GRADINO' CHE FACCIO, DIVIDO PER 10, OPPURE SPOSTO LA VIRGOLA VERSO SINISTRA. SE 'SCENDO' VERSO UNITA' DI MISURA PIU' PICCOLE (SOTTOMULTIPLI), PER OGNI 'GRADINO' CHE SCENDO, MOLTIPLICO PER 10, OPPURE SPOSTO LA VIRGOLA VERSO DESTRA. ESEMPIO: 35 dm = dam, salgo due gradini, quindi moltiplico per 100 (10 x 10), oppure sposto la virgola di due posizioni verso sinistra (e aggiungo uno zero ogni volta che la virgola non ha cifre da 'scavalcare'), quindi 35 dm = 0,35 dam. PER METRI, LITRI, GRAMMI VALGONO LE STESSE REGOLE SCENDO VERSO UNITA' PIU' PICCOLE MOLTIPLICO PER 10 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO DESTRA DI UN POSTO AD OGNI 'SALTO' km hm dam m dm cm mm kg hg dag g dg cg mg kl hl dal l dl cl ml SALGO VERSO UNITA' PIU' GRANDI DIVIDO PER 10 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO SINISTRA DI UN POSTO AD OGNI 'SALTO' PER LE MISURE DI SUPERFICIE, AD OGNI GRADINO MOLTPLICO O DIVIDO PER 100, OPPURE SPOSTO LA VIRGOLA DI DUE POSTI SCENDO VERSO UNITA' PIU' PICCOLE MOLTIPLICO PER 100 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO DESTRA DI DUE POSTI AD OGNI 'SALTO' km 2 hm 2 dam 2 m 2 dm 2 cm 2 mm 2 SALGO VERSO UNITA' PIU' GRANDI DIVIDO PER 100 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO SINISTRA DI DUE POSTO AD OGNI 'SALTO' PER LE MISURE DI VOLUME, AD OGNI 'GRADINO', MOLTIPLICO O DIVIDO PER 1000, OPPURE SPOSTO LA VIRGOLA DI TRE POSTI. SCENDO VERSO UNITA' PIU' PICCOLE MOLTIPLICO PER 1000 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO DESTRA DI TRE POSTI AD OGNI 'SALTO' km 2 hm 2 dam 2 m 2 dm 2 cm 2 mm 2 SALGO VERSO UNITA' PIU' GRANDI DIVIDO PER 1000 O SPOSTO LA VIRGOLA VERSO SINISTRA DI TRE POSTI AD OGNI 'SALTO' 10

13 MAPPA CONCETTUALE LE SCIENZE SPERIMENTALI STUDIANO SI DIVIDONO IN I FENOMENI NATURALI BIOLOGIA FISICA UTILIZZANDO GEOLOGIA CHIMICA ILMETODO SPERIMENTALE ASTRONOMIA LAVORARE CON GRANDEZZE, COMPIERE MISURE OSSERVARE IL FENOMENO RACCOGLIERE DATI E INFORMAZIONI FORMULARE IPOTESI VERIFICARE LE IPOTESI CON ESPERIMENTI TRARRE CONCLUSIONI 11