DIDATTICA E LABORATORIO DI SCIENZE DELLA TERRA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PALERMO MASTER II LIVELLO IN DIDATTICA DELLE SCIENZE PER INSEGNANTI DI SCUOLE MEDIE ED ELEMENTARI DIDATTICA E LABORATORIO DI SCIENZE DELLA TERRA DOCENTI : PROF. RE VALERIO AGNESI PROF. RE CHRISTIAN CONOSCENTI INSEGNANTI: BENIGNO GIOVANNA MELIS BARBARA PANZICA GUENDALINA SANFILIPPO VENERE INDICE L atmosfera: parte teorica L origine e l evoluzione l dell atmosfera L atmosfera primitiva La composizione chimica dell atmosfera attuale L equilibrio chimico nell atmosfera La struttura dell atmosfera Gli strati atmosferici Troposfera Stratosfera Mesosfera Termosfera Esosfera La pressione atmosferica Il barometro Unità di apprendimento L atmosfera: un involucro d ariad Premessa Traguardi Obiettivi di apprendimento Obiettivi specifici Contenuti Destinatari Metodologia Verifica 1

2 ATMOSFERA PARTE TEORICA Insegnanti: G. Benigno B. Melis G. Panzica V. Sanfilippo L ORIGINE E L EVOLUZIONE DELL ATMOSFERA La Terra è un pianeta molto diverso dagli altri del sistema solare, soprattutto perché possiede un'atmosfera che contiene ossigeno, e ha una enorme riserva di acqua allo stato liquido. Solo per questo è stata possibile l'evoluzione di forme di vita fino a quella dell'uomo. Durante il periodo di raffreddamento le esalazioni di gas vennero rilasciate dalla crosta terrestre in gran quantità e andarono a formare un involucro formato essenzialmente da anidride carbonica, elio, idrogeno, metano, ammoniaca e vapore acqueo. Si presuppone che questo involucro sia stato l atmosfera primordiale. Quando la Terra si formò, i materiali più pesanti si portarono verso il centro del pianeta, mentre i più leggeri restarono a formare strati più esterni, per effetto della legge di gravitazione. 2

3 L atmosfera primitiva L'atmosfera primitiva deve la sua formazione e la sua composizione alle esalazioni soprattutto di azoto, anidride carbonica e vapore acqueo attraverso fratture prodotte dal bombardamento meteoritico e per processi vulcanici avvenuti nel passato, quando la Terra aveva già una crosta solida e la temperatura era più bassa; il primo ossigeno deriverebbe, invece, dalla scomposizione del vapore acqueo prodotta specialmente da scariche elettriche. L'azione dei raggi ultravioletti sulle molecole di anidride carbonica, di metano, di ammoniaca e di vapore acqueo, presenti in questa atmosfera ancora poco evoluta, è ritenuta responsabile della sintesi delle prime molecole organiche e, quindi, della materia vivente. L'acqua, condensatasi in nubi e precipitata nei bacini naturali (mari) fu responsabile dello stabilizzarsi della temperatura superficiale intorno ai 15 C. Furono le prime forme vegetali - in grado di assorbire anidride carbonica ed emettere ossigeno nell atmosfera attraverso la funzione clorofilliana a dare inizio alla formazione di aria, che man mano si portò a essere sempre più simile a quella attuale, con contenuti di ossigeno adeguati alla vita di un gran numero di piante e di animali, tra i quali, infine, l'uomo. La composizione chimica dell atmosfera attuale L involucro gassoso che circonda la terra solida e liquida, trattenuto dalla forza di gravità, è chiamato atmosfera. L aria non è una sostanza semplice, ma un miscuglio formato da gas diversi in prevalenza azoto per il 78%, e ossigeno per il 21% circa, il restante 1% è formato da anidride carbonica e da una serie di altri gas, tra i quali elio, argo, neon, cripto, xeno e rado, detti gas rari per la loro scarsissima quantità. Queste percentuali si riferiscono all aria secca ; infatti l aria contiene anche quantità variabili di vapore acqueo che ne determina l umidità. Infine nell aria sono disperse finissime particelle solide (polveri, pollini, spore batteriche e di funghi) che formano il pulviscolo atmosferico. 3

4 L equilibrio chimico nell atmosfera La quantità di anidride carbonica presente nell atmosfera è determinata da un equilibrio che si stabilisce tra oceano, rocce ed aria. L oceano contiene anidride carbonica in quantità superiore a quella dell atmosfera. L oceano e l atmosfera si scambiano continuamente anidride carbonica in modo che la sua percentuale nell aria resta pressoché stabile. Le funzioni dell atmosfera Molto importanti sono le principali funzioni svolte dall atmosfera: atmosfera: è la sede dei fenomeni meteorologici; fa da scudo contro l'ingresso delle meteore; filtra i raggi ultravioletti; permette la vita grazie alla presenza dei gas ossigeno e anidride de carbonica; mantiene e distribuisce sulla Terra il calore del Sole (se non esistesse l'atmosfera, ci sarebbe una differenza di temperatura tra il dìd e la notte di circa 200 C,, come avviene sulla Luna). 4

5 La struttura dell atmosfera L atmosfera ha caratteristiche diverse di temperatura, di densità e di composizione, è quindi possibile distinguere in essa una struttura a zone a mano a mano che dal suolo si sale a livelli più elevati. Gli strati atmosferici Le zone concentriche in cui i meteorologi dividono l atmosfera, in base alle differenze di temperatura, alle diverse quote, si succedono dall alto verso il basso: ESOSFERA TERMOSFERA MESOSFERA STRATOSFERA TROPOSFERA 5

6 La troposfera (livello del mare fino a 15 km di altezza) È lo strato a diretto contatto con la superficie terrestre, quello in cui hanno luogo i principali movimenti dell aria e i fenomeni meteorologici (venti, formazione di nubi e precipitazioni), da cui dipende il clima. La troposfera è riscaldata dal basso, dal calore emesso dalla Terra: dunque la temperatura è massima nella zona a contatto della superficie e diminuisce con l aumento dell altezza. La stratosfera (da 20 km a 50 km di altezza) Qui tutti i gas sono sempre più rarefatti e anche il vapor acqueo e il pulviscolo atmosferico diminuiscono. In essa è presente uno strato di ozono, un gas la cui molecola è formata da tre atomi di ossigeno (simbolo O3) e che svolge un importantissima funzione: filtra i raggi ultravioletti (UV) che giungono dal sole e che, oltre una certa quantità, sono dannosi per gli organismi viventi. 6

7 La mesosfera (da 50 km a 90 km di altezza) In essa si incendiano e si disintegrano le meteore, corpi solidi che provengono dallo spazio proprio grazie all attrito con l aria molto rarefatta. La termosfera (da 90 km a 400 km di altezza) È estremamente rarefatta (cioè ha densità molto bassa). In questo strato hanno sede le aurore polari, manifestazioni luminose talvolta visibili in prossimità dei poli, a forma di archi e raggi di diversi colori. Questo fenomeno è dovuto all azione di radiazioni provenienti dal sole che colpiscono le molecole dei gas atmosferici, trasformandole in particelle cariche, che sono attratte magneticamente dai poli. 7

8 L esosfera (da 500 km a oltre km di altezza) È lo strato più esterno dell atmosfera, il più rarefatto, ciò provoca una fuga delle molecole (di idrogeno ed elio soprattutto) dall attrazione della terra e la perdita nello spazio. LA PRESSIONE ATMOSFERICA Il merito di aver intuito e dimostrato per primo, nel 1643, che l aria esercita una pressione, spetta ad Evangelista Torricelli. L aria è, come abbiamo visto, costituita da una miscela di gas come tutti i corpi. E perciò soggetta all attrazione gravitazionale terrestre ed esercita una pressione su tutto ciò che sovrasta. Si chiama pressione atmosferica il peso dell aria che grava sull unità di area della superficie terrestre. E importante ricordare che la pressione atmosferica diminuisce con l altezza; infatti trasportando un barometro in montagna, vediamo che l altezza della colonna di mercurio è sensibilmente minore di quella al livello del mare. Questo avviene perché man mano che ci si solleva dalla superficie terrestre, diminuisce la quantità di aria sovrastante, per cui dovrà diminuire corrispondentemente anche il suo peso. ¼ della pressione atmosferica rispetto al livello del mare LIVELLO DEL MARE 10 Km La pressione atmosferica diminuisce con l altitudine 8

9 IL BAROMETRO Lo strumento che serve a misurare la pressione atmosferica è il barometro (il termine barometro deriva dalle parole greche baros=peso e metron=misura). L unità di misura della pressione attualmente usata in meteorologia è l ettopascal e la pressione atmosferica normale equivale quindi a 1013 ettopascal (hpa). In particolare, si dice pressione atmosferica normale quella esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm sull unità di superficie (1cm²), misurata a livello di mare, alla temperatura di 0 C e alla latitudine di 45. Una pressione superiore a quella normale si dice alta pressione, una inferiore si dice bassa pressione. Il barometro più preciso, usato anche oggi, è il barometro a mercurio di Torricelli. Per ottenere una registrazione continua delle variazioni della pressione, si usano particolari barometri, detti barografi. Insegnanti: G. Benigno B. Melis G. Panzica V. Sanfilippo 9

10 PREMESSA L U.d.A. è riferita alle Indicazioni per il curricolo per il primo ciclo d istruzione. Si propone di fare conoscere ai bambini l atmosfera; la sua composizione, i suoi strati e le sue funzioni in relazione alla vita sulla Terra. Si scoprirà, inoltre, la grande forza della pressione atmosferica e come è possibile misurarla, aumentarla e utilizzarla per far vincere la forza di gravità. Ricava informazioni geografiche da una pluralità di fonti (cartografiche e satellitari, fotografiche, artistiche e letterali). TRAGUARDI Con la guida dell insegnante in collaborazione con i compagni, ma anche da solo, formula ipotesi e previsioni, osserva, registra, classifica, schematizza, identifica relazioni spazio - temporali, utilizza concetti basati su semplici relazioni con altri concetti, argomenta, deduce, prospetta soluzioni e interpretazioni, prevede alternative, ne produce rappresentazioni grafiche e schemi di livello adeguato. 10

11 Estendere le proprie carte mentali al territorio italiano e a spazi più lontani, attraverso gli OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO strumenti dell osservazione indiretta (filmati e fotografie, documenti cartografici e immagini da satellite, ect.). Osservare, descrivere, confrontare, correlare elementi della realtà circostante, cogliendone somiglianze e differenze e operando classificazioni secondo criteri diversi. Acquisire familiarità con la variabilità dei fenomeni atmosferici. Effettuare semplici sperimentazioni con l aria, per individuarne l esistenza, le caratteristiche e il comportamento in diverse situazioni. Conoscere la composizione chimica dell atmosfera. OBIETTIVI SPECIFICI Saper costruire e utilizzare semplici strumenti per osservare le variazioni atmosferiche. Usare consapevolmente le esperienze per osservare, riflettere ed esprimere. Trarre informazioni e conoscenze dall esperienza concreta. Acquisire spirito critico e capacità di formulare il pensiero in modo preciso. Analizzare fenomeni per riflettere ed esprimere ipotesi e soluzioni. 11

12 L atmosfera L ossigeno nell aria CONTENUTI Il peso dell aria La pressione atmosferica Aria calda e aria fredda: i fenomeni atmosferici Il barometro DESTINATARI Alunni classe quinta RIFERIMENTO Geografia Scienze RACCORDI INTERDISCIPLINARI Italiano Scienze e tecnologia DURATA DELL U.D.A 20 ore SUSSIDI E SUPPORTI DIDATTICI Schede di lavoro Questionari 12

13 Metodologia Sarà messa in atto una didattica costruttiva dove è il soggetto attivo che costruisce le proprie conoscenze collaborando e cooperando. A tal fine il percorso didattico prevede e propone attività specifiche che porteranno gli alunni a saper formulare ipotesi, ad indagare e dare risposte alle domande poste. Questa modalità di lavoro consente ad ognuno di attingere dapprima alle proprie personali conoscenze e successivamente, nel momento della condivisione, di recuperare e interiorizzare informazioni che non conosceva. Pertanto è necessario progettare un assetto laboratoriale e preparare situazioni didattiche in cui gli alunni possano sperimentare, usando una molteplicità di strumenti comunicativi ed informativi, per costruire la propria conoscenza. ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Prima lezione in classe: Cos è l atmosfera Docente L insegnante mostra alcune foto satellitari che raffigurano l atmosfera da diverse angolazioni e nelle quali è possibile distinguere diversi strati. Dal commento sulle foto l insegnante introduce le funzioni dell atmosfera fondamentali per la vita del pianeta terra. In particolare si sofferma sulla funzione dell equilibrio termico, e sull importanza dei primi strati atmosferici che sono sede di tutti i fenomeni meteorologici, che contengono ossigeno, sostanza tra le principali componenti dell atmosfera dopo l azoto. Alunni Osservano le foto, pongono domande ed esprimono le proprie opinioni. Ascoltano, osservano gli schemi dal libro di testo. 13

14 Obiettivo Conoscere l atmosfera: la composizione, i suoi strati e le sue funzioni. Osservazione di foto satellitari. Visione del pianeta terra dal satellite Atmosfera visibile Atmosfera non visibile ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Seconda lezione in classe: L aria è dovunque Docente Alunni Presenta ai bambini due bottiglie in plastica di cui una vuota e l altra piena di acqua. Pone domande stimolo e invita gli alunni a rispondere: 1. Cosa c è nelle due bottiglie? 2. Dove si trova l aria? 3. Nell acqua c è aria? Propone l attività e guida gli alunni a riflettere su ciò che osservano. Riassume le loro informazioni e le rielabora fornendo spiegazioni. Ipotizzano, rispondono e si confrontano. Osservano, partecipano e acquisiscono conoscenza. 14

15 Obiettivo Far capire che l aria occupa Le bollicine della bottiglia. qualsiasi spazio libero, anche piccolissimo. Le bollicine della bottiglia Che cosa occorre Un barattolo di vetro trasparente Un foglio di carta da cucina Un recipiente trasparente (più alto del barattolo) contenente acqua Come procedere 1. Sistema il foglio di carta da cucina sul fondo del barattolo in modo che non si muova 15

16 Le bollicine della bottiglia Come procedere 2. Capovolgi il barattolo e immergilo fino a toccare il fondo del recipiente Le bollicine della bottiglia Che cosa succede? l acqua non entra nel barattolo Perché. l aria contenuta nel barattolo impedisce all acqua di entrare e raggiungere la carta: infatti, quando toglierai il barattolo dall acqua, potrai verificare che la carta è rimasta asciutta. Il barattolo era solo apparentemente vuoto! 16

17 Le bollicine della bottiglia 3. Quando tocca il fondo, inclinalo Che cosa succede? dal barattolo escono delle bolle che salgono in superficie e scoppiano; l acqua entra nel barattolo e la carta si bagna Perché. l aria che riempie il barattolo trova una via d uscita e sale; l acqua ha così la possibilità di prenderne il posto ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Terza lezione in classe: Cosa c è nell aria? Docente Alunni Pone domande stimolo e invita gli alunni a rispondere: 1. Che cosa c è nell aria? Propone l attività e guida gli alunni a riflettere su ciò che osservano. Ipotizzano, rispondono e si confrontano. Osservano, partecipano e acquisiscono conoscenza. Riassume le loro informazioni e le rielabora fornendo spiegazioni. 17

18 Obiettivo Fare capire che l aria è un miscuglio di gas di cui fanno parte ossigeno e azoto. Candela accesa, candela spenta. Che cosa occorre Un piatto fondo Una candela Candela accesa candela spenta Un barattolo di vetro trasparente più alto della candela Acqua Inchiostro Un fiammifero Pongo 18

19 Candela accesa candela spenta Come procedere 1. Fissa la candela al piatto con un po di pongo 2. Versa nel piatto un po d acqua, nella quale avrai sciolto qualche goccia d inchiostro per renderla più visibile 3. Fai accendere a un adulto la candela e coprila con il barattolo di vetro Che cosa succede? Dopo qualche istante la fiamma si spegne e l acqua dal piatto entra nel barattolo, occupandone circa un quinto Perché Candela accesa candela spenta. la candela, bruciando, consuma una parte dell aria, l ossigeno. L acqua, spinta dalla pressione esterna, entra nel barattolo occupando lo spazio lasciato libero dall ossigeno, ma non può riempirlo tutto perché una parte dell aria, prevalentemente costituita da azoto, lo occupa ancora 19

20 ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Terza lezione in classe: L aria pesa Docente Alunni Propone un Brainstorming sulla parola Aria. Costruisce uno schema e sottolinea alcune parole chiave: LEGGERA - PESANTE Propone l attività e guida gli alunni a riflettere su ciò che osservano. Riassume le loro informazioni e le rielabora fornendo spiegazioni. Riflettono e riferiscono tutte le possibili associazioni. Cercano le parole sottolineate. Osservano, partecipano e acquisiscono conoscenza. Obiettivo Scoprire che tutte le L aria pesa. sostanze apparentemente leggere, come l aria, hanno un peso. 20

21 L aria pesa Che cosa occorre una bacchetta di plastica lunga 13 cm due palloncini uguali una lattina nastro adesivo una matita Come procedere 1. Segna con la matita la metà della bacchetta 2. Fissa i due palloncini alle estremità della bacchetta con il nastro adesivo L aria pesa 21

22 Come procedere 3. Appoggia il centro della bacchetta sulla lattina L aria pesa Che cosa succede? la bacchetta con i palloncini rimane orizzontale Perché L aria pesa. I palloncini hanno lo stesso peso Successivamente 4. Gonfia al massimo uno dei due palloncini e attaccalo nuovamente alla bacchetta, facendo attenzione a mantenere il punto d appoggio precedente 22

23 Che cosa succede? L aria pesa la bacchetta si inclina dalla parte del palloncino più gonfio Perché. l aria chiusa al suo interno lo rende più pesante di quello meno gonfio ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Quarta lezione in classe: La pressione dell aria Docente 1. Elenca una serie di situazioni quotidiane (schiacciare una lattina, piantare un chiodo nel muro, affondare il pollice sulla plastilina) nelle quali viene esercitata una forza chiamata <pressione> 2. Spiega che anche l aria che circonda la terra, avendo un peso, esercita una forza su di noi. 3. Propone l attività per fare scoprire che anche l aria esercita una pressione. Alunni Sperimentano le suddette situazioni. Ascoltano e ampliano le loro conoscenze. Sperimentano singolarmente. l attività 23

24 Obiettivo Fare capire che l aria La forza invisibile. esercita una forza. Una forza invisibile Che cosa occorre Un righello Un grande foglio di carta Un tavolo come base di appoggio 24

25 Come procedere Una forza invisibile 1. Appoggia il righello sul tavolo in modo che sporga dal bordo per circa un terzo 2. Metti il foglio di carta sulla parte del righello che sta sul tavolo, facendolo aderire bene al piano di appoggio 3. Dai un colpo alla parte sporgente del righello per far saltare in aria il foglio (attenzione: un colpo troppo forte potrebbe rompere il righello!) Che cosa succede? Una forza invisibile Il foglio impedisce al righello di sollevarsi Perché. I aria preme sulla carta; poiché la superficie del foglio è molto ampia, la quantità di aria che la sovrasta è tale da impedire che il foglio si sollevi, nonostante la forza del nostro corpo 25

26 ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Quinta lezione in classe: Aria calda e aria fredda hanno la stessa pressione? Docente 1. Spiega, attraverso una lettura, che intorno alla terra ci sono enormi correnti convettive determinate dal calore del sole. 2. Pone la seguente domanda: Secondo voi, la pressione atmosferica è sempre la stessa? 3. Propone l attività e guida gli alunni a riflettere su ciò che osservano. 4. Propone di realizzare il barometro. Alunni Ipotizzano, rispondono e si confrontano. Osservano, partecipano e acquisiscono conoscenza. Costruiscono il barometro. ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Obiettivo Fare capire che l aria riscaldata si espande, pesa di meno e quindi esercita una pressione minore dell aria fredda. Questo determina fenomeni atmosferici come i <venti> Misurare nel corso di una settimana i valori della pressione raccogliendo dati metereologici. Chi schiaccia la bottiglia. Costruzione del barometro. 26

27 ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Lettura: uno sguardo dall alto Chi schiaccia la bottiglia? Che cosa occorre una bottiglia di plastica vuota da 1,5 litri acqua calda Come procedere 1. Riempi d acqua calda la bottiglia 2. Dopo qualche secondo svuotala immediatamente il tappo Che cosa succede? subito vedrai la bottiglia appiattirsi lateralmente come se due mani la schiacciassero Perché Perché. L aria all interno della bottiglia, leggera e dilatata per effetto del calore, ha una pressione inferiore a quella esterna. È la pressione dell aria esterna che schiaccia la bottiglia 27

28 Che cosa occorre una bottiglia un barattolo di vetro nastro adesivo pennarelli acqua colorata Costruiamo un barometro Come procedere Costruiamo un barometro 1. Capovolgi la bottiglia vuota e sistemala nel barattolo di vetro in modo che l imboccatura della bottiglia non tocchi il fondo del barattolo 2. Togli, poi, la bottiglia e versa nel barattolo di vetro dell acqua, possibilmente colorata, sufficiente a coprire appena il collo della bottiglia, quando questa è posta nel barattolo 28

29 Come procedere Costruiamo un barometro 3. Segna, quindi, sul barattolo con del nastro adesivo, oppure con un pennarello, il livello dell acqua nella bottiglia ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Verifica finale 1. L aria si trova solo all aperto? 2. L aria è un gas? 3. L aria che avvolge la terra si chiama atmosfera? 4. L aria occupa uno spazio? 5. L aria ha una forma? 6. L aria ha un peso? V V V V V V F F F F F F 29