Prodotto realizzato con il contributo della Regione Toscana nell'ambito dell'azione regionale di sistema. Laboratori del Sapere Scientifico

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1 Prodotto realizzato con il contributo della Regione Toscana nell'ambito dell'azione regionale di sistema Laboratori del Sapere Scientifico

2 Intorno alla legge di Charles: Il percorso è stato svolto in 6 classi prime dell' Istituto Tecnico IIS G.Ferraris-F.Brunelleschi Empoli

3 Inserimento nel curriculum verticale Il percorso viene affrontato nel secondo quadrimestre della classe prima dopo la trattazione delle leggi ponderali e rientra nel modulo riguardante le leggi dei gas

4 Obiettivi essenziali di apprendimento Risolvere problematiche concrete legate allo stato gassoso Riportare un esperimento in maniera alternativa alla relazione utilizzando strumenti multimediali Conoscere il significato della scala di temperatura assoluta Conoscere la legge di Charles Conoscere le altre leggi dei gas Saper eseguire calcoli con le leggi dei gas Definire l'equazione generale di stato dei gas (senza il termine n) Saper prevedere l'influenza della variazione di una variabile di un gas (T, V, P sulle altre)

5 Elementi salienti dell'approccio metodologico Gli studenti sono posti di fronte al problema di progettare un sistema che consenta di indagare cosa accade al volume di un gas al variare della temperatura Viene chiesto loro di eseguire a casa una trasformazione di un volume di gas variando la sua temperatura e di riportare alla classe cosa osservato qualitativamente In classe sono descritte le esperienze ed individuate le criticità Si ripropone l'attività a casa chiedendo di fornire dati quantitativi Si esaminano i dati forniti e la classe sceglie il metodo che ritiene migliore Si introduce la temperatura assoluta Si calcola il rapporto V/T e si arriva alla legge di Charles Si effettuano esercizi di calcolo con il controllo predittivo del risultato Si introducono le leggi di Boyle e di Gay Lussac Si introduce l'equazione generale di stato dei gas (forma semplificata PV=kT senza n)

6 Palloncini Barattoli della marmellata o della conserva Bottiglie in plastica Materiali utilizzati Sacchetti di plastica per alimenti Sacchetti di plastica per immondizia Termometro da esterni o da frigo Frigo Forno Righello Compressore Nastro isolante Bottiglia di plastica Calcolatrice Spago Videocamera Fotocamera Software per montaggio video

7 Tempi impiegati 2 ore per la messa a punto preliminare nel Gruppo LSS 1 ora per la progettazione specifica e dettagliata nelle classi 1 ora per il confronto dei risultati intermedi e la loro valutazione 1 ora per la valutazione dei risultati didattici Tempo-scuola di sviluppo del percorso 3 settimane (9 ore) compresa la verifica sui gas che comprende una parte specifica sulla legge di Charles.

8 1. In classe Si introducono i gas partendo dalla domanda: Quali gas conoscete e quali caratteristiche comuni hanno? Gli studenti elencano CO2 ; O 2 ; azoto; NO x (gas a loro noto dai telefilm polizieschi) ; metano Per essi individuano le seguenti caratteristiche mancanza di visibilità (non si vedono) mancanza di un volume preciso alcuni sono nelle bombole

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10 Segue una seconda domanda stimolo: Quali sono le proprietà che caratterizzano un gas? Vengono individuate inizialmente : Volume Odore Colore Dopo discussione vengono aggiunte alla lista Pressione Temperatura Viene chiesto Quali di esse sono grandezze? vengono individuate soltanto T,V,P

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12 La pressione di un gas Da che cosa è data la pressione di un gas? Ci si rifa alla definizione (trattata nel corso di fisica) P=F/S. Si chiede quale forza esercita la pressione e qual è la superficie su cui è esercitata. Il gas è fatto da particelle. Si arriva alla conclusione che la pressione è generata dalle particelle del gas che urtano sulla superficie del contenitore.

13 Seguono altre domande stimolo, per esempio: Perchè in una stanza chiusa ermeticamente non si sopravvive a lungo? Attraverso le quali si riesce a far aggiungere alle grandezze anche la Quantità di gas

14 A questo punto si chiede agli studenti Come posso verificare se le grandezze individuate sono collegate tra loro da una relazione-legge? Dopo discussione essi propongono di variarle e di osservare di conseguenza cosa accade Si discute quindi sul fatto che le variabili sono quattro chiedendo: Quali vario? Quali osservo? Se ne vario una variano tutte?

15 Dalla discussione emerge la proposta di tenere fisse due grandezze e di variare le altre due. Poichè abbiamo precedentemente deciso di far lavorare i ragazzi sulla dipendenza del volume dalla temperatura li portiamo a proporre di partire da osservare cosa accade al volume variando la temperatura. Domandiamo come possiamo tenere fissa la quantità di gas.

16 Gli studenti suggeriscono recipienti chiusi: inizialmente scatole e barattoli, poi palloncini. Si chiede loro di verificare personalmente a casa cosa accade ad un volume di un gas a) se la temperatura aumenta b) se la temperatura diminuisce La prima analisi è qualitativa, ma chiediamo loro anche una riflessione riguardante la possibilità di ricavare dati numerici dall'esperimento progettato

17 2. In classe Gli studenti riferiscono riguardo alle loro prove, documentandole con descrizioni e foto che vengono mostrate ai compagni Sono stati utilizzati palloncini che hanno messo in frigorifero e sul radiatore (o addirittura in forno) Tutti hanno osservato un aumento del volume in corrispondenza dell'aumento della temperatura (nei casi del forno i palloncini sono scoppiati) ed una diminuzione nel caso del frigorifero/ congelatore

18 Esperimento di Niccolò: Ha messo il palloncino in una bottiglia (per osservare la diminuzione di volume in relazione alla bottiglia) Data la difficoltà a riempire il palloncino nella bottiglia lo ha riempito con aria tramite un compressore Ha chiuso la bottiglia col tappo e del nastro isolante Dopo 5 ore in freezer ha osservato la variazione avvenuta

19 Lavoro di Niccolò IB chimica Si gonfia il palloncino Il palloncino estratto dal freezer

20 Niccolò racconta di aver osservato una diminuzione del volume al diminuire della temperatura, che si vede meglio controluce. Dice che il volume del palloncino è tornato apparentemente ad essere quello di partenza una volta che la bottiglia è tornata a temperatura ambiente.

21 Niccolò racconta di aver osservato una diminuzione del volume al diminuire della temperatura, che si vede meglio controluce. Dice che il volume del palloncino è tornato apparentemente ad essere quello di partenza una volta che la bottiglia è tornata a temperatura ambiente.

22 Deborah ha utilizzato un palloncino fatto con un sacchetto di plastica per freezer, una scatola artigianale che contenesse il palloncino appena gonfiato ed ha posto il palloncino nel freezer del frigorifero Lavoro di Deborah (1 A ch)

23 Lavoro di Christian 1 A Ele Ha contenuto il palloncino in una bottiglia tagliata

24 Matteo (1 B ele) ha posto il palloncino in forno perché riteneva di poterne leggere la temperatura dal termostato, ma il palloncino è scoppiato per due volte Ne ha dedotto che all'aumentare della temperatura è evidente che il volume aumenti.

25 Viene a questo punto chiesto Che relazione c'è secondo voi tra volume e temperatura? Inizialmente gli studenti dicono che se cresce la temperatura il volume cresce e viceversa. Qualcuno poi dice che secondo lui temperatura e volume sono direttamente proporzionali

26 Si fanno quindi riflettere su cosa dovrebbe accadere a 0 C La retta temperatura volume passa per l'origine? Gli studenti dicono di sì. Alcuni dicono che a zero gradi il volume non è zero. Infatti in frigorifero a -18 il volume non era 0! Si introduce la scala Kelvin introducendo lo zero assoluto come estrapolazione di una retta volume /temperatura

27 Viene chiesto agli studenti di eseguire altre prove fornendo dei dati, riportando le temperature in Kelvin Si discute sul metodo più opportuno per contenere il gas e sulle eventuali difficoltà nella misura. Gli studenti dicono di aver visto recuperare velocemente la forma iniziale ai palloncini utilizzati e suggeriscono di misurare il volume del gas raffreddato direttamente in frigo o molto velocemente subito dopo l'estrazione.

28 Si discute su come può essere possibile misurare in maniera attendibile il volume di un palloncino. Inizialmente gli alunni propongono di misurare la circonferenza, poi pensano che lo spago può scorrere. Si pensa all'opportunità di contenere il volume in una scatola (vedi idea di Deborah), o in un barattolo.

29 Gabriele 1 B ch 3.In classe Ha posto un palloncino resistente in un barattolo da conserva e ha fatto un foro nel tappo. Ha gonfiato il palloncino in modo da riempire completamente il barattolo aiutandosi con una cannuccia messa di fianco che ha fatto fuoriuscire l'aria dal barattolo durante la gonfiatura del palloncino. Ha misurato il volume perso introducendo acqua nel barattolo una volta estratto il barattolo dal freezer. Ha rifatto la prova per due volte con due diversi palloncini.

30 Dispositivo con cannuccia Barattolo con palloncino riempito

31 Il palloncino appenna estratto dal freezer Con una siringa viene aggiunta e misurata l'acqua per colmare il volume

32 Dati sperimentali Primo palloncino T1= 20 C = 293 K V1=340 ml V/T =1,16 (ml/k) T1'=-18 C =255 K V1'=320 ml V/T = 1,25 (ml/k) T2=20 C =293 K V2=345 ml V/T = 1,17 (ml/k) Secondo palloncino T2'= -18 C = 255 K V2'= 330 ml V/T =1,29 (ml/k) La difficoltà maggiore incontrata da Gabriele è stata nel momento della misurazione del volume mancante con l'acqua. Il procedimento è lento e nel frattempo il palloncino si gonfia. Difficile anche determinare con accuratezza il volume del palloncino iniziale

33 Altri due studenti hanno misurato la massima circonferenza possibile del palloncino con uno spago e da questa hanno ricavato il volume del palloncino associandolo ad una sfera. Le misurazioni sono state fatte in freezer, a temperatura ambiente e su un radiatore

34 Altri studenti hanno utilizzato un sacchetto ponendolo in una scatola di cartone con il coperchio tagliato in modo da poter essere abbassato tipo stantuffo Il sacchetto è stato riempito a misura del volume della scatola. Tolto dal freezer con un segno sul lato della scatola premendo sul coperchio, è stato possibile calcolare il volume occupato dal gas.

35 Dei metodi 2 e 3 è stato prodotto un filmato Per il metodo della scatola sono stati fatti i calcoli in tutte le classi e sono riportati di seguito alcune elaborazioni.

36 LAVORO DI ANDREA 1 A ELE

37 LAVORO DI ANDREA IA ele Preparazione della scatola prima Dopo aver raffreddato

38 Andrea 1 B informatica

39 Si analizzano i risultati. 4. In classe In tutti i lavori la pressione è stata considerata costante, ma si discute risguardo alla possibile variazione della pressione in relazione alla variazione di temperatura. Nei casi in cui il gas non è stato introdotto in recipienti rigidi si può considerare che la pressione interna al recipiente sia uguale alla pressione atmosferica.

40 Si arriva alla conclusione che i lavori di Andrea e di Deborah sono sicuramente validi. Nel caso dei lavori con i palloncini i risultati sono validi dal punto di vista qualitativo, ma non sono del tutto attendibili dal punto di vista quantitativo, specialmente nei casi in cui il palloncino viene riscaldato.

41 Si rielaborano i dati trovati. Dall'analisi dei dati di lavori analoghi a quello di Andrea si osserva che il rapporto V/T può essere considerato costante nei diversi casi. Ciò conferma l'ipotesi di proporzionalità diretta tra V e T. Si introduce la legge di Charles

42 Si propongono ora semplici problemi di tipo numerico dei quali è prevedibile il risultato senza calcolo Esempio: Il volume di un gas chiuso in un palloncino a 250 K è 200 ml quale sarà il volume del gas a 125 K, se si mantiene costante la pressione? Nella seconda parte della lezione sono proposti problemi più complessi per i quali è necessario il calcolo.

43 5. In laboratorio Si eseguono misure P/V con il classico esperimento della siringa. Vengono utilizzate masse da 1 Kg ed una siringa da 50 ml in plastica. Durante l'esecuzione delle operazioni di misura gli studenti osservano la differenza della dipendenza del volume dalla temperatura e dalla pressione.

44 6. In classe Si rielaborano i dati di laboratorio e si ricava la legge di Boyle. PV=K' Si eseguono calcoli semplici su casi per i quali non è necessaria la calcolatrice: cosa accade alla pressione raddoppiando il volume o viceversa. Si introducono problemi per i quali è necessario l'uso della calcolatrice.

45 7. In classe Non disponendo per motivi di sicurezza di mercurio nei nostri laboratori, non possiamo effettuare prove di relazione P/T a scuola. Si discute con gli studenti della ipotetica relazione che lega P a T, si forniscono dati da riportare in un grafico e si confronta questo grafico con quello di V/T. Si introduce la legge di Gay-Lussac (per analogia con la legge di Charles) P=K'' T

46 Nella seconda parte della lezione seguono esercizi alla lavagna riguardanti: Applicazione delle leggi (da una variabile ottenere l'altra in una trasformazione isoterma, isobara o isocora) Discussione e costruzione di schema riassuntivo delle tre leggi dalle quali si ricava per sostituzione l'equazione: PV=KT

47 8. In classe Si correggono e discutono esercizi assegnati per casa e si riepiloga quanto elaborato nelle lezioni precedenti anche attraverso l'esecuzione di mappe concettuali. Gli studenti in gruppi elaborano il testo di problemi che vengono letti e ne viene discussa la traccia per l'esecuzione.

48 9 Verifica finale Un gas possiede alla temperatura di 70 C un volume di 30 L. Quale sarà il suo volume se la stessa quantità di gas viene riscaldata fino a 200 C, mantenendo costante la pressione? (2) Il volume di un gas è di 40 L e la sua pressione è di 400 KPa. Se lo stesso gas viene posto in un recipiente il cui volume è di 20 L, mantenendo costante la temperatura, calcolare la nuova pressione. (2) Un gas alla temperatura di 130 K possiede una pressione di 1,4 atm. Qual è la sua pressione se il gas viene riscaldato a 300 K mantenendo costante il volume? ( 2) Perchè è stata introdotta la scala K? A cosa corrisponde la temperatura di 0 K? (1) 5) Descrivi come è possibile verificare la legge di Charles con un semplice esperimento (1) 6) Spiega il significato di proporzionalità diretta ed inversa riferendoti alle leggi dei gas (1) Tempo assegnato 60 minuti. Voto= punteggio +1

49 Risultati della verifica Risultati gravemente insufficienti in media nelle sei classi 10%. Il risultato è migliore della media degli ultimi anni in verifiche analoghe sui gas (17%).

50 Valutazione del gruppo LSS Le condizioni di lavoro proposte non consentono di ottenere sempre valori ben riproducibili D'altro canto i concetti e le leggi si sono saldamente ancorati attraverso la sperimentazione e la discussione dei dati e dei problemi connessi alla manipolazione dei gas Si ritiene importante la valenza del percorso per quello che riguarda la progettualità e la partecipazione attiva degli studenti nel creare il contesto di senso.

51 Valutazione del percorso proposto Il lavoro ha portato ad un miglioramento nei livelli di apprendimento relativi ai gas, sviluppando anche competenze trasversali.