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 Dalla ricerca del peso specifico al principio di Archimede Scuola secondaria di 1 grado I.C. L. da Vinci Carrara (MS) LSS 2012/13

3 Collocazione del percorso nel curricolo verticale Scuola dell infanzia: prime esperienze di confronto che avvicinano il concetto di peso (si propongono oggetti grandi, ma leggeri, oggetti piccoli pesanti...) Sc. Primaria: Precisazione delle esperienze precedenti, costruzione ed uso di bilance con utilizzo di unità di misura non convenzionali e successivamente con unità campione. Primo approccio ai volumi con uso di cubetti unitari e riempimento di scatoline costruite con cartoncino Sc. Secondaria: esperienze su peso, volume, peso specifico di varie sostanze e sul galleggiamento/affondamento (principio di Archimede). Le esperienze vengono distribuite nel corso dei tre anni.

4 Obiettivi di apprendimento Sviluppare capacità di osservazione Favorire l individuazione di relazioni e la formulazione di ipotesi Condurre al superamento di misconcetti, luoghi comuni e alla costruzione di apprendimenti corretti e consapevoli Migliorare abilità di argomentazione con uso di linguaggio specifico adeguato

5 Elementi salienti dell approccio metodologico Si parte dalle conoscenze dei ragazzi sull argomento, riprendendo le esperienze esplorative-manipolative che alcuni hanno svolto alla primaria o nella loro vita quotidiana. Viene condotta una discussione sui termini usati, ponendo domande che mettano in crisi eventuali misconcetti. Focalizzate le grandezze da osservare e misurare, si chiede di fare proposte per risolvere problemi come trovare il volume di corpi con forma geometrica non definita, confrontare oggetti... Si procede con esperienze per individuare il peso specifico di diverse sostanze. Si propongono poi esperienze sull affondamento dei corpi e sul galleggiamento di altri. Si ricercano relazioni.

6 Formazione Sono state svolte numerose ore di formazione con esperta esterna di didattica della matematica e delle scienze (prof.essa Silvia Dentella). Negli incontri di formazione sono state presentate attività laboratoriali sui temi da trattare, peso, peso specifico, principio di Archimede. Ogni componente del LSS a riferito sulle sue esperienze sperimentate nelle classi, mettendo in comune per la discussione le relative documentazioni. Sono state svolte altre ore di ricerca e autoformazione per documentarsi sugli argomenti affrontati

7 Materiali e strumenti usati Bilance a due piatti, bilancia elettronica, dinamometri, bilancia idrostatica Oggetti dello stesso materiale e volume diverso Oggetti di ugual volume e peso diverso Oggetti di stesso peso e diverso volume Cilindri graduati ed altri contenitori

8 Ambiente in cui è stato sviluppato il percorso Laboratorio scientifico Classe

9 Tempo impiegato Per la messa a punto nel gruppo LSS: 5 h Per la progettazione specifica nella sezione/classi: 2 h Tempo scuola per lo sviluppo del percorso: 50 h Tempo per documentazione: 12 h

10 Altre informazioni Nella classe terza il percorso è stato svolto nei primi tre mesi dell anno. Nella classe seconda è stata proposta solo la prima parte legata all individuazione del peso specifico. Nella classe prima sono state presentate alcune esperienze sul volume, sulla corrispondenza tra le unità di misura litro/decimetro cubico e loro sottomultipli ed esperienze per consolidare la stima del peso, la conoscenza delle relative unità di misura e l uso delle bilance.

11 Nell affrontare l argomento si ritiene di non dover precisare la differenza tra massa e peso, accennandola soltanto in modo intuitivo. Gli alunni hanno esperienza di oggetti da sollevare, sanno di usare una forza per sostenerli, controllano il loro peso; si ritiene che in questa età scolare non possano essere compresi concetti come l accelerazione di gravità o la legge della dinamica. Il confronto di masse con la bilancia a piatti uguali si fa attraverso il confronto di forze peso che si equilibrano. Siamo consapevoli di effettuare un rimando agli studi futuri per definire meglio questi concetti, e solo nel caso di eventuali osservazioni di alunni già in possesso informazioni in proposito, si potrebbe precisare che il Kg peso non è una unità di misura universale. Lo stesso campione massa sulla Luna peserebbe meno, ma questo non può essere verificato sperimentalmente né con esperienza diretta. Ai ragazzi si chiede che accettino questa informazione, in vista dello studio della gravitazione universale, che affronteranno alle superiori.

12 Il percorso viene avviato con una discussione iniziale in cui si chiede che cosa significa che un corpo è pesante o ha maggior peso di un altro. Si comprende la necessità di considerare anche i volumi degli oggetti per esprimere una valutazione su quali pesano di più. Si raccolgono vari oggetti della stessa sostanza (cristallo, acciaio, marmo, rame) per misurarne peso e volume.

13 Gli alunni individuano il metodo per misurare il volume di oggetti con forma irregolare. Si utilizzano cilindri graduati con una certa quantità d acqua, si inseriscono gli oggetti e si valuta la variazione di volume

14 Gli oggetti vengono pesati con bilancia elettronica o con bilancia a piatti uguali ed anche con dinamometro. Si riflette sulla diversa sensibilità degli strumenti e sugli errori di misura. Il dinamometro sarà utile quando si introdurrà la spinta dei liquidi.

15 Dalla registrazione delle misure in tabelle, emerge, pur con gli errori di misurazione, la costanza del rapporto tra peso e volume di oggetti dello stesso materiale. Il valore di questo rapporto che caratterizza la sostanza e sarà chiamato peso specifico, sarà accompagnato da un unità di misura derivata (confronto con altre già incontrate). Si comprende anche che tale valore corrisponde al peso di una unità di volume di quella sostanza. I ragazzi esprimono curiosità di conoscere altri pesi specifici, si procede con la raccolta di altri materiali, si utilizzano cilindri di vari materiali. Si confrontano i valori ottenuti tabelle di pesi specifici presenti nei loro libri di testo.

16 Cilindri di acciaio di diversa altezza. Se ne calcola il volume sia con l immersione in recipiente graduato, sia misurandone raggio e altezza ed utilizzando la formula. Si pesano, si calcolano i rapporti, si rileva la loro costanza, si stabilisce il peso specifico dell acciaio (media tra i valori registrati). Riflessione sulla proporzionalità diretta tra volume e altezza in cilindri con la stessa base e tra volumi e pesi in cilindri dello stesso materiale.

17 Cilindri di materiale diverso e con le stesse dimensioni Ricerca del loro peso specifico. Proporzionalità diretta tra peso e peso specifico di oggetti di egual volume.

18 Ricerca del peso specifico di liquidi In piccoli becker graduati si versano vari volumi di liquidi per confrontarne il peso ed i relativi pesi specifici. Si ricavano i ps dell acqua, dell alcool etilico, del glicerolo.

19 Prime esperienze sul galleggiamento/affondamento Gli alunni si sono già avvicinati in percorsi precedenti al concetto di forza, conoscono la loro rappresentazione con vettori, sono consapevoli che il peso è una forza. Hanno svolto anche esperienze sull allungamento delle molle. Si parte da una semplice osservazione che i ragazzi sono in grado di fare autonomamente: un corpo sospeso ad un dinamometro produce allungamento della molla, in virtù del suo peso (forza diretta verso il basso). Se con la mano esercito una forza sul corpo sospeso, diretta verso l alto, il dinamometro registra un peso minore. Non c è stata diminuzione della massa dell oggetto, su di esso è intervenuta una forza con verso opposto alla forza peso. Il valore registrato dal dinamometro lo si può definire peso apparente. L intensità della spinta della mano la si determina per differenza tra peso e peso apparente.

20 Se sospendiamo un oggetto al dinamometro leggiamo il suo peso;se l oggetto, sospeso al dinamometro, viene immerso in acqua, notiamo una diminuzione dell allungamento della molla. Gli alunni collegano le esperienze ed affermano che l acqua spinge verso l alto così come faceva la nostra mano fuori dall acqua. Si legge sul dinamometro il peso apparente dell oggetto e per differenza si ricava il valore della spinta che l acqua ha esercitato sull oggetto.

21 Da che cosa dipende il valore della spinta esercitata dal liquido? Ipotesi degli alunni Proposte di esperienze per verificarle Pianificazione delle esperienze

22 Alcuni alunni sostengono che il valore della spinta esercitata dal liquido dipenda dalla sua quantità. Si prova ad immergere l oggetto sospeso al dinamometro in un cilindro graduato con acqua e in un contenitore molto più grande. Il peso apparente registrato dal dinamometro è lo stesso.

23 Altre ipotesi interpretative Potrebbe dipendere dal peso? Confrontiamo oggetti con peso diverso Potrebbe dipendere dal diverso volume? Procediamo con le esperienze, riprendendo gli oggetti utilizzati per la ricerca del peso specifico, ricontrollandone il volume, ed il peso sospendendoli al dinamometro. Successivamente li sospendiamo immersi in acqua.

24 Si riportano i dati relativi al peso, volume, peso apparente in acqua e spinta dell acqua in tabella. Si osserva che il valore della spinta non è legato al peso, ma la volume (circondati di azzurro valori di peso molto diversi, in oggetti con lo stesso volume che ricevono la stessa spinta.

25 Viene introdotta la figura di Archimede, con alcune note storiche relative allo scienziato e alle sue scoperte. In particolare si racconta di come Archimede riuscì a smascherare l orafo imbroglione che aveva costruito la corona del re Gelone. Si informa dell uso da lui fatto di una particolare bilancia per studiare la spinta esercitata dai liquidi.

26 La bilancia idrostatica per valutare la spinta dei liquidi

27 Dopo aver equilibrato il cilindro appeso sotto ad un piatto della bilancia con un cilindro cavo di egual volume e con pesetti nell altro piatto, lo si immerge in acqua, l equilibrio si altera. Si può riequilibrare riempiendo il cilindro cavo di un volume di acqua uguale al volume del cilindro sospeso.

28 L equilibrio ristabilito ci conferma che il valore della spinta è legato al volume di liquido spostato dall oggetto.

29 Si ripete l esperienza immergendo in alcool, anche in questo caso l equilibrio si ristabilisce inserendo un volume di alcool uguale a quello dell oggetto immerso e quindi ponendo sul piatto della bilancia un peso corrispondente al peso di liquido spostato. Si arriva all enunciazione del principio di Archimede.

30 Oggetti che galleggiano Vengono presi in esame oggetti che galleggiano (tappi di sughero, candele, cubi di legno. Si determina il loro peso specifico. Si portano sul fondo di un contenitore con acqua; dopo aver lasciato libero l oggetto, si chiede che cosa permette al corpo di risalire fino alla superficie. Come è possibile determinare la forza di spinta sull oggetto? Gli alunni si ricollegano alle esperienze precedenti e ragionano sul volume di liquido spostato e sui pesi specifici. Quali forze agiscono sui corpi in galleggiamento, è una fase di equilibrio? Vengono analizzate e rappresentate con vettori le forze che agiscono su un corpo mentre affonda, all equilibrio sul fondo del contenitore e si confrontano con le forze che agiscono su un corpo di ps inferiore a quello del liquido, mentre risale e all equilibrio, durante il galleggiamento.

31 Si ripete l esperienza del corpo che galleggia utilizzando altri liquidi. Si fa costruire una tabella per registrare peso specifico del liquido, peso specifico dell oggetto, volume di liquido spostato e volume della parte immersa del corpo. Cosa accade al volume della parte immersa del corpo all aumentare del peso specifico del liquido? Quali relazioni? Esperienza con acqua, alcool e olio inseriti in un cilindro graduato. Come si dispongono? Qualche ragazzo pensa che dipenda dalle relative quantità. Provare a variarle. Gli alunni rilevano le relazioni di galleggiamento o affondamento di un oggetto rispetto al liquido in cui è immerso, sollevano domande e cercano di dare risposte, chiarendo situazioni del tipo navi che galleggiano, movimento dei sommergibili, palloncini riempiti di elio che salgono (si chiarisce che il principio di Archimede vale per tutti i fluidi).

32 Viene mostrata ai ragazzi una bottiglia contenete il diavoletto di Cartesio, chiedendo loro di spiegarne il funzionamento. Si propone la costruzione di altri diavoletti.

33 Verifiche degli apprendimenti Viene data grande importanza alla fase in cui gli alunni descrivono le esperienze svolte, oralmente e per iscritto, al modo in cui formulano ipotesi ed argomentano, confrontandosi con gli interventi dei compagni. Vengono effettuate varie verifiche orali con richiesta di esporre i fenomeni osservati, le relazioni individuate, le metodologie usate nella fase sperimentale. Vengono effettuate verifiche scritte, una preverifica corretta con discussione collettiva ed una verifica successiva a questa.

34 Verifica di preparazione Se un oggetto di volume 30 cm³, pesa 54 g, quanto pesa ciascun cm³ di questo oggetto? Cosa rappresenta questo valore trovato?. Come abbiamo trovato il peso specifico dell alcool?... Ricordi il suo valore? Quanto peseranno 12 cm³ di alcool? 1Kg d acqua sarà contenuto in un recipiente dalla capacità di... perché... 1Kg d alcool sarà contenuto in un recipiente uguale, più grande o più piccolo? Perché? In una cisterna da 1 m³ posso inserire... litri d acqua Quando immergo un oggetto sospeso ad un dinamometro, in un liquido, osservo che... Ti è capitato di accorgerti in altre circostanze di questo fenomeno? Come abbiamo calcolato la spinta che un oggetto riceve da un liquido? Da che cosa dipende l intensità di questa spinta? Che cosa non influisce sul valore della spinta? Principio di Archimede:... Un oggetto affonda in un liquido quando... Un oggetto galleggia quando... Un tappo di sughero (p.s. 0,65 g/cm³) viene immerso in acqua, un altro tappo uguale al primo viene immerso in alcool. Quale differenza osserverai. Un cubetto di marmo (p.s. 2,5 g/cm³), di spigolo 4 cm, viene immerso in acqua e successivamente in mercurio. Calcola: peso del cubetto, spinta che riceve dall acqua,peso apparente che registrerebbe se appeso al dinamometro, spinta che riceve quando immerso nel mercurio. Che succede in questo caso? Perché? Sai spiegare perché l aria calda sale verso l alto? Perché una nave, che pure è fatta di ferro e materiali pesanti, galleggia? Descrivi l esperienza con la bilancia idrostatica.

35 Verifica Un oggetto di volume 50 cm³, pesa 36 g, quanto pesa ciascun cm³ di questo oggetto? Cosa rappresenta questo valore trovato? Come abbiamo trovato il peso specifico dell alcool? Ricordi il suo valore? Una bottiglia da 1 litro di alcool peserà. Esprimi in quattro modi diversi il contenuto del recipiente cubico di spigolo 10 cm: Quale capacità avrà un recipiente che conterrà 1Kg d alcool? Una grande cisterna cubica contiene 3000 litri d acqua, quanto sarà il suo volume in m³? Disegna le forze che agiscono su un corpo inserito in acqua mentre affonda e quando si trova sul fondo. Disegna le forze che agiscono su un corpo immerso in acqua mentre si porta a galleggiare e al galleggiamento. Un oggetto A di volume 30 cm³e peso 40 g ed un oggetto B, di peso 24 g e volume 36 cm³, vengono immersi in acqua, che succede ai due oggetti dopo averli lasciati? Da che cosa dipende la spinta che un oggetto riceve da un liquido? Che cosa non influisce sul valore della spinta? Un oggetto affonda in un liquido quando Un oggetto galleggia quando... Ricordi i tre cilindri di alluminio, ottone, plastica Noteremo differenze immergendo ciascun cilindro in acqua, sospeso al dinamometro? Un cubetto di ferro (p.s. 7,5 g/cm³), di spigolo 2 cm, viene immerso in acqua e successivamente in olio. Calcola peso del cubetto, spinta che riceve dall acqua peso apparente che registrerebbe se appeso al dinamometro mentre è immerso. Spinta che riceve quando immerso in olio. Che cosa puoi dire del rapporto tra i valori della spinta in olio e della spinta in acqua? Perché una nave, che pure è fatta di ferro e materiali pesanti, galleggia? Descrivi l esperienza con la bilancia idrostatica.

36 Risultati ottenuti Le capacità di osservazione e descrizione negli alunni delle classi terze è migliorata nel tempo ed in particolare durante questo percorso i ragazzi si sono dimostrati autonomi nell organizzare le esperienze, rilevare dati, valutare gli errori, formulare ipotesi interpretative. Per gli alunni con difficoltà è risultato utile svolgere la preverifica, discussa insieme e autocorretta. L argomentazione evidenziata oralmente è risultata buona per la maggior parte della classe, come pure le valutazioni della verifica scritta. Nelle varie classi circa il 15% degli studenti hanno risposto in modo non del tutto adeguato, dimostrando di aver appreso in modo superficiale gli aspetti essenziali delle esperienze svolte.

37 Valutazione dell efficacia del percorso didattico sperimentato in ordine alle aspettative e alle motivazioni del Gruppo di ricerca LSS Le insegnanti del gruppo LSS valutano positivamente i percorsi attivati e le metodologie adottate, gli alunni sono risultati coinvolti attivamente, motivati e collaborativi. Significativi sono stati i progressi nell osservazione, nell organizzazione e nell argomentazione.