LABORATORIO SULL ACQUA Attività di scienze come in laboratorio svolta dalla prof.ssa M. Aliberti con gli allievi di 1^, 2^ e 3^ della sezione ospedaliera di Torino. Con questo laboratorio abbiamo voluto scoprire alcune caratteristiche dell acqua. Abbiamo svolto sull acqua una serie di attività di laboratorio con l obiettivo di dimostrare che: l acqua esercita una pressione dall alto verso il basso e dal basso verso l alto se si esercita una pressione in un fluido, questa si propaga in tutte le direzioni ( principio di Pascal ) la pressione aumenta con la profondità dell acqua stessa (legge di Stevino) l acqua esercita una pressione sull aria e l aria esercita una pressione sull acqua ( vasi comunicanti ) l acqua tende a salire spontaneamente negli spazi molto stretti ( fenomeno della capillarità) l acqua è composta da una parte liquida e una parte solida ( sali minerali ) l acqua a temperatura ambiente evapora lentamente dagli strati superficiali aumentando la temperatura l acqua dopo un po inizia a bollire e poi ad evaporare velocemente in tutta la sua massa l acqua può sciogliere certe sostanze l acqua a caldo scioglie più velocemente le sostanze l acqua scaldata aumenta di volume l acqua si può trovare in tre stati diversi: liquido, solido, gassoso nell acqua scaldata ci sono dei movimenti di convezione termica abbassando la temperatura l acqua diventa ghiaccio e aumenta di volume l acqua con del sale sciolto dentro non solidifica a 0 ( ma a temperature più basse) Per svolgere queste attività di laboratorio sono stati usati i seguenti materiali: becher una scatola cilindrica con fori a varie altezze bottiglie di plastica un tubo cilindrico aperto alle estremità con tappo di plastica apposito un recipiente trasparente largo una sfera di Pascal ( sfera con aperture in tutte le direzioni ) tubi per la capillarità un fornellino sostanze diverse da mettere nell acqua una bottiglietta con collo sottile, un tubicino di vetro o una cannuccia di plastica, un tappo forato un frigorifero due bottiglie di plastica o di vetro con tappo un tubo con forma rettangolare una pinza di legno DESCRIZIONE DELLE ATTIVITA 1 attività: a) Abbiamo immerso in un becher pieno d acqua un tubo di vetro vuoto con al fondo un tappo di plastica, tenuto attaccato ad una estremità del tubo da un cordino che teniamo dall alto. 1
Prima di lasciare il cordino ci è stato posto il seguente problema: se si lascia il cordino che cosa succede al dischetto? - va a fondo? - resta attaccato al tubo? - galleggia nell acqua? Lasciando andare il cordino si è osservato: Il tappo non è caduto, ma è restato attaccato al tubo b) Abbiamo messo dell acqua all interno del tubo All inizio il dischetto non è caduto, ma quando l acqua nel tubo ha superato, anche di pochissimo, il livello dell acqua nel becher il tappo è caduto. - L acqua ha esercitato una pressione dal basso verso l alto. - La pressione dipende dal dislivello tra il tappo e la superficie dell acqua : quando il livello dell acqua dentro al tubo è più alto di quello nel becher, la pressione sul tappo, dall alto verso il basso è maggiore di quella dal basso verso l alto e il tappo cade. 2 attività L acqua esercita una pressione solo dall alto verso il basso e dal basso verso l alto (come nell esperimento precedente) o in tutte le direzioni? Abbiamo messo dell acqua nella sfera di Pascal (una sfera di vetro con una serie di aperture in tutte le direzioni ) e con uno stantuffo abbiamo spinto facendo pressione sull acqua. N.B. In mancanza della sfera di Pascal si può usare una bottiglia di plastica in cui praticare buchi alla stessa altezza L acqua esce con uguale forza da tutti i buchi. Se esercitiamo una pressione sulla superficie di un liquido, questa si trasmette con la stessa intensità in tutte le direzioni. 3 attività Se in una bottiglia si fanno dei fori ad altezze diverse, l acqua zampillerà nello stesso modo da tutti i fori? Abbiamo preso una bottiglia di plastica a cui sono stati praticati 3 o 4 fori a varie altezze (alla distanza di 4 cm l uno dall altro). Abbiamo chiuso i fori con nastro adesivo e poi riempito la bottiglia di acqua. A questo punto abbiamo tolto il nastro adesivo. Gli zampilli di acqua non sono usciti tutti uguali: quello inferiore era più forte e più lungo mentre quello superiore era più debole e più corto. Maggiore è la profondità, maggiore è la pressione che l acqua esercita contro le pareti del recipiente. 2
4 attività Pensando alle conclusioni a cui si è arrivati con l esperimento precedente, che cosa pensi che succeda se immergiamo, in una bacinella piena d acqua, ad altezze diverse, una bottiglia sul cui fondo abbiamo praticato un forellino? Abbiamo riempito una bacinella di acqua e preso una bottiglia di plastica sul cui fondo abbiamo praticato un forellino. Abbiamo immerso verticalmente nell acqua la bottiglia, osservando che cosa succedeva via via che la bottiglia era immersa. L acqua entrava nella bottiglia formando uno zampillo diretto perpendicolarmente verso l alto. Più si immergeva la bottiglia, più forte era lo zampillo. : Aumentando la profondità dell acqua, aumenta la pressione idrostatica. 5 attività a ) Abbiamo messo acqua colorata nel contenitore di vetro con i vasi comunicanti Osservazione L acqua si è disposta in tutti i tubicini raggiungendo la stessa altezza. b ) Abbiamo chiuso con un dito, a turno, uno dei tubicini e versato ogni volta la stessa quantità d acqua. Osservazione L acqua non entrava nel tubicino tappato. Togliendo il dito abbiamo visto che subito l acqua si disponeva di nuovo alla stessa altezza in tutti e tre i tubi Quando i tubicini sono tutti aperti l aria esercita la stessa pressione sull acqua e l acqua è alla stessa altezza in tutti e tre i tubi; se un tubo è chiuso, l aria imprigionata nel tubo impedisce all acqua di entrare. 6 attività a) Abbiamo preso due lastre di vetro di forma quadrata e tenute unite da un lato con due mollette Nel lato opposto abbiamo inserito un stuzzicadente per tenere le lastre un poco aperte. In una bacinella di vetro trasparente in cui c era acqua colorata abbiamo immerso verticalmente le due lastre. L acqua si è disposta in un modo particolare: ha raggiunto il livello più alto dove la distanza tra i due vetrini era minore ed era al livello minimo dove la distanza era maggiore b ) Abbiamo poi preso tre tubicini con diametri diversi tra loro e una bacinella con acqua colorata e messo verticalmente i tubicini nell acqua. L acqua ha raggiunto livelli diversi nei tre tubicini: dove il diametro era più piccolo saliva più in alto, dove era più largo raggiungeva un livello più basso. L acqua tende a salire spontaneamente negli spazi di sezione molto stretta: questo fenomeno si chiama capillarità ed è ciò che permette all acqua di salire, per esempio, attraverso i terreni in cui le particelle che li compongono lasciano spazi molto stretti tra di esse. 3
7 attività Evaporazione -a ) situazione 1: bicchiere trasparente con acqua messo sul comodino o sul davanzale. o in altro luogo opportuno. Domanda: con il passare del tempo che cosa succede all acqua? Come dobbiamo fare per verificare che cosa succede? Sono emerse una serie di proposte: mettere il bicchiere sul termosifone, vicino alla finestra al sole o vicino ad una fonte di calore Abbiamo messo nella stanza diversi bicchieri con la stessa quantità d acqua e verificato cosa succedeva in condizioni diverse e segnato con un pennarello il livello iniziale dell acqua e misurato l altezza sul recipiente, continuando a fare controlli e misure per almeno10 giorni. ( abbiamo fatto poi un grafico con l altezza del livello rispetto ai giorni) Domanda: cosa è successo all acqua? - dove è andata l acqua che stava nel recipiente? - cosa è diventata l acqua che manca dal recipiente? - cosa è successo? - hai notato lo stesso fenomeno in altre situazioni? 8 attività Preso un fazzoletto bagnato è stata posta le domande: cosa succede se si stende il fazzoletto bagnato? E cosa cambia nel fazzoletto dall inizio alla fine dell esperimento? Dopo aver svolto queste attività resta ancora aperto il problema dei fattori che influiscono su questo fenomeno, si tratta cioè di rispondere alla domanda: che cosa ha fatto succedere questo? Con una serie di altre attività : un recipiente posto al caldo ( termosifone ) e uno posto al freddo (fuori alla finestra di notte), usando un asciugacapelli sopra il recipiente aperto Si può arrivare alla conclusioni che: l acqua se ne va la velocità con la quale se ne va dipende dal calore ( più caldo, più veloce ), dal movimento dell aria (più vento, più veloce) e dall interazione di questi due fattori. Dopo la parte sperimentale si è passati alla spiegazione scientifica cioè alla elaborazione del modello particellare della materia. Come base di partenza per spiegare i fenomeni fisici è stata data agli allievi l ipotesi particellare della materia e cioè che le sostanze sono costituite di unità chiamate particelle e che queste particelle hanno delle proprietà. Le proprietà date un po alla volta sono state: - una particella non può essere divisa - una particella non può essere deformata - una particella non può mutare dimensione ossia la particella di una certa sostanza ha un certo volume che non può essere cambiato - una particella di una determinata sostanza ha una massa determinata che non cambia mai - le particelle in un liquido sono vicine le une alle altre, ma non sono vincolate e sono in continuo movimento; nel solido sono molto vicine e vincolate e si muovono molto meno che nel liquido; nel vapore sono molto distanti le une dalle altre, non sono per nulla vincolate e, poiché si muovono molto, occupano tutto lo spazio a disposizione. - il calore fa aumentare il movimento delle particelle - tra le particelle ci sono degli spazi ( più piccoli nei solidi, più larghi nei liquidi e larghissimi nei gas). Queste proprietà hanno permesso di spiegare i seguenti argomenti: - gli stati fisici della materia e le sue trasformazioni fisiche 4
9 attività Domanda: cosa succederà all acqua posta sopra una fornelletto o termosifone? Messo una piccola quantità d acqua in un recipiente ( bicchiere, becher o provetta ) sopra una fonte di calore. dopo un certo tempo nell acqua si forma piccole bolle contemporaneamente dalla superficie dell acqua esce del fumo la superficie dell acqua si agita la quantità d acqua del recipiente diminuisce sul fondo del recipiente restano dei residui secchi ( una patina biancastra) nell acqua del rubinetto sono presenti delle sostanze (sali minerali) sciolte al suo interno l acqua può diventare vapore, più calore forniamo più velocemente l acqua evapora l acqua scaldata, dopo un certo tempo che sta sulla fonte di calore, inizia ad agitarsi, prima sul fondo del recipiente e poi dappertutto: si dice allora che bolle quando bolle si volatilizza in forma di fumo (vapore acqueo) nell acqua del rubinetto sono presenti delle sostanze ( sali minerali ) che non vanno via con il vapore acqueo 10 attività Abbiamo messo dell acqua dentro una bottiglia, chiuso la bottiglia con un tappo forato in cui abbiamo inserito una cannuccia che arrivi quasi al fondo della bottiglia. Abbiamo messo la bottiglia in un recipiente in cui far scaldare l acqua Domanda: cosa succede? Dopo poco tempo vediamo che l acqua sale nella cannuccia fino ad uscire dalla stessa. Nell acqua scaldata aumenta il movimento delle particelle perciò queste cercano di occupare uno spazio maggiore. Di conseguenza l acqua scaldata aumenta di volume e sale nella cannuccia. 11 attività Abbiamo messo dell acqua in una bottiglietta di plastica, senza riempirla fino al bordo, chiuso la bottiglia con il tappo. Segnato con un pennarello il livello dell acqua sul collo della bottiglia e messo in un altra bottiglia della stessa grandezza la stessa quantità d acqua ma anche tre cucchiaini di sale grosso. Abbiamo chiuso la bottiglia con il tappo, dopo aver segnato il livello dell acqua con il pennarello e messo le bottiglie nel freezer di un frigorifero per un giorno e il giorno dopo osservato ciò che era successo. Nella 1 bottiglia l acqua si è congelata e ha superato il livello segnato precedentemente. Nella 2 bottiglia l acqua si è congelata solo in parte, verso il fondo, dove c è il sale, non è congelata. Le basse temperature fanno congelare l acqua che perciò passa dallo stato liquido allo stato solido. Quando l acqua solidifica aumenta di volume. Se l acqua contiene molti sali congela a temperature più basse. 5