IL LABORATORIO COME LUOGO DI
INDAGINE
ESPERIENZE SULLE PROPRIETA’
TERMICHE DELLA MATERIA
PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA
LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO
ATRI 1 FEBBRAIO 2012
Percorso didattico progettato durante gli
incontri del Piano ISS nel Presidio di Pescara
nel corso dell’anno scolastico 2009-2010
Realizzato nella classe III C di sperimentazione
autonoma del Liceo Scientifico “C. D’Ascanio”
di Montesilvano, in collaborazione tra le
insegnanti di fisica e scienze.
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RUOLO DELL’INSEGNANTE
 Progettare attività laboratoriali che accendano curiosità e interesse
negli studenti
 Mettere in atto un metodo didattico non trasmissivo ma collaborativo:
coordinare in modo da coinvolgere gli studenti nelle scelte di
realizzazione
 Intervistare gli studenti per richiamare e analizzare le conoscenze che
fanno parte del loro bagaglio personale
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RUOLO DELL’INSEGNANTE
 Stimolare alla rielaborazione personale per capire se le loro
conoscenze dopo l’esperienza sono modificate
 Controllare, rettificare, orientare il percorso se necessario
 Utilizzare il più possibile contesti di senso ed esempi tratti dal
quotidiano, evidenziando i collegamenti con altre discipline
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RUOLO DELL’INSEGNANTE
 Mettere il laboratorio al centro della didattica, dove
per laboratorio non va intesa solo l’aula in cui
svolgere degli esperimenti, ma anche l’insieme di
attività esperienziali, di ricerca/azione e di dibattiti
argomentativi
che
permettono
di
giungere
conclusioni e generalizzazioni
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a
TRAGUARDO
osservare un fenomeno
riconoscere
le
grandezze
fisiche
che
vi
intervengono
formulare una ipotesi
progettare
e
realizzare
un
procedimento
sperimentale che permetta di verificarla
Il traguardo è favorire l’acquisizione del metodo di indagine scientifico e
di un insieme di abilità e competenze che rendano gli studenti consapevoli
di ciò che sanno e sanno fare.
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PERCORSO
I principali argomenti affrontati durante il
percorso:
•scale termometriche e termometro
•calore e temperatura
•equilibrio termico
•propagazione del calore ed effetti sulla
materia
•relazione fondamentale della calorimetria
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PERCORSO
Le attività laboratoriali svolte, e di seguito documentate, sono state
differenziate per raggiungere competenze diverse:
esperienziali qualitative e tratte dal quotidiano oppure di
ragionamento – laboratorio mentale – , attraverso le quali gli
studenti sono stati
guidati nella ricerca di questioni di carattere scientifico in ciò che
osservano
stimolati a dare spiegazioni basate su dati scientifici
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PERCORSO
esperienze qualitative-semiquantitative, per portare gli alunni
verso
una consapevole selezione delle informazioni scientificamente
significative
la successiva formulazione di un’ipotesi di indagine
la raccolta di dati e la lettura del loro significato in relazione al
fenomeno osservato
la formulazione di un progetto di indagine specifico attraverso il
quale dare risposte quantitative
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PERCORSO
esperimenti quantitativi, nei quali l’osservazione del fenomeno è
finalizzato alla
raccolta
organizzazione
elaborazione di dati
estrapolazione della legge che regola il fenomeno
comunicazione del risultato trovato esprimendosi in modo chiaro
e utilizzando la terminologia specifica.
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Alla richiesta di definire cosa sono calore e temperatura, quasi in coro
gli studenti hanno detto
il calore è una forma di energia.
Alla temperatura hanno invece associato definizioni tipo:
è una misura del calore di un corpo.
Sono state allora proposte le indagini di seguito descritte: le frasi scritte
in corsivo corrispondono agli interventi degli studenti.
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• PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
• EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
• LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE
E TEMPERATURA
• RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
• LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
• UNA RIFLESSIONE
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
ESPERIENZA 1
Immersione
delle
mani in acqua calda
(destra) e in acqua
fredda
(sinistra)
contemporaneamente.
Successivamente
entrambe
in
acqua
tiepida.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
ESPERIENZA 2
Come capire cosa comporta la diversa temperatura nei corpi?
Cosa accade se verso una goccia di colorante in acqua a
diversa temperatura?
• ……
Mettiamo a scaldare dell’acqua.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Viene versata una goccia di colorante in una bacinella
di acqua fredda (rubinetto), e una goccia in un’altra di
acqua calda (portata quasi a ebollizione). Si osserva
cosa accade.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
• Il colorante si diffonde più
rapidamente nell’acqua calda.
• In acqua fredda dopo poco
sembra fermarsi.
Perché?
• La
temperatura
maggiore
aiuta il colorante a diffondersi
dopo 2-3 minuti
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
ESPERIENZA 3
Sempre per capire cosa comporta la diversa temperatura nei corpi:
in una bacinella contenente acqua fredda (rubinetto)
viene immerso un vasetto chiuso ermeticamente
e colmo di acqua calda (portata quasi ad ebollizione) colorata.
In un'altra bacinella di acqua calda si immerge un vasetto chiuso
ermeticamente e pieno di acqua fredda colorata.
Si aprono i vasetti contemporaneamente.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Bacinella
con
acqua
calda
Bacinella
con
acqua
fredda
Vasetto
con
acqua
fredda
colorata
Vasetto
con
acqua
calda
colorata
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
ESPERIENZA 4
Immersione in un becker riempito di acqua calda (quasi ad
ebollizione) di una boccetta sigillata contenente acqua colorata a
temperatura ambiente e munita di una cannuccia.
Dopo vari tentativi:
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Cosa accade?
•
L’acqua colorata sale lungo la cannuccia
Perché?
•
Esce l’aria della cannuccia spinta dall’acqua colorata che
sale, questa a sua volta è stata spinta dall’aria posta sulla superficie
del liquido che si è dilatata con il riscaldamento.
C’è uno strumento che usiamo nel quotidiano e che si comporta allo
stesso modo?
•
Il termometro
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Nel prendere la bottiglietta
con una pinza, il coperchio
si è tolto e abbiamo potuto
di nuovo osservare che
l’acqua calda contenuta nel
becker ha impedito
all’acqua fredda colorata di
fuoriuscire .
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Avendo osservato la dilatazione termica in relazione
ad un riscaldamento di aria e acqua colorata
contenute nella boccetta, si decide di analizzare la
relazione tra la quantità di calore ed l’aumento di
volume unidirezionale di un liquido (→concetto di
dilatazione termica → termometro)
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
ESPERIENZA 5
Una beuta viene riempita di acqua colorata fino all’orlo e chiusa
con un tappo di gomma nel quale è stato inserito un capillare. La
beuta viene posta su una piastra elettrica preriscaldata (per
assicurare una quantità di calore costante al passare del tempo).
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Durante la predisposizione del liquido nella beuta dobbiamo
risolvere…
Sul capillare viene segnato il livello del
liquido, quindi gli studenti rilevano il
tempo (che esprime la quantità di calore
fornito) e la variazione di altezza del
liquido nel capillare al passare del tempo .
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Prese le misure di tempi e di livelli raggiunti dal liquido lungo il
capillare, segue l’elaborazione dei dati.
La conclusione collettiva è che variano secondo una proporzione
lineare:
La temperatura e il livello di liquido nel tubicino
Il tempo (ovvero il calore scambiato) e il livello di liquido nel
tubicino
Il tempo (ovvero il calore scambiato) e la temperatura
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
ESPERIENZA 6:
Da cosa dipende l’ assorbimento di calore?
•
•
Dalla massa
Anche dal tipo di sostanza
Come si può verificare?
• Per verificare come varia la temperatura al passare del tempo al variare
della massa dobbiamo riscaldare quantità crescenti di una stessa sostanza
• Per verificare come varia la temperatura al passare del tempo al variare
della sostanza dobbiamo riscaldare uguali quantità di sostanze diverse
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Si prosegue l’indagine per riuscire ad esprimere attraverso una legge
matematica la relazione tra calore e temperatura.
Si decide di analizzare gli effetti del riscaldamento per uguali quantità
di acqua, olio di semi e alcool denaturato nel modo seguente: per 100
ml di ciascuna sostanza rilevare la temperatura iniziale, posizionarla su
una piastra elettrica e leggere le temperature raggiunte ogni 30 secondi.
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Gli studenti vengono divisi in tre gruppi e a ciascuno viene assegnata
una diversa sostanza da analizzare.
Decidiamo anche di ripetere l’indagine per 200 ml della stessa
sostanza.
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Nella fase di esecuzione e raccolta dei dati ciascuno studente ha
assunto un ruolo all’interno del gruppo: compito dell’insegnante è
aiutarli in una esecuzione accurata delle misurazioni.
Si è molto insistito perché ciascuno prendesse i suoi appunti su cosa
si decidesse di fare e perché: è importante che imparino a scrivere
tutte le osservazioni, in modo da riuscire ad arrivare a delle giuste ed
approfondite conclusioni.
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Effetti della relazione tre calore e temperatura in natura.
Nella realtà, in natura, dove possiamo riconoscere queste grandezze?
C’è qualche fenomeno in cui è visibile la relazione tre calore e
temperatura e in cui è importante il calore?
L’evaporazione.
Di cosa?
Dell’acqua, dei liquidi.
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Nella natura dove vediamo l’evaporazione?
•
Nelle gocce di rugiada
•
Nel mare
Quando l’acqua del mare evapora?
•
Quando un elemento da liquido passa allo stato aeriforme
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
E a livello microscopico?
•
Si rompono i legami perché l’acqua assorbe calore dal sole ed
entra in bilancio termico con il sole.
Prima di parlare di bilancio termico analizziamo il fenomeno. Questo
calore dunque cosa produce?
•
Fa scaldare l’acqua
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Come fa a muovere le particelle, dove lo abbiamo visto?
•
Nell’esperienza
con
le
gocce
di
colorante
diffuse
nell’acqua.
Allora il sole riscalda l’acqua del mare e trasmette energia, l’acqua si
scalda, alcuni legami si rompono, alcune particelle salgono
nell’atmosfera e poi?
•
Le particelle si raffreddano.
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Perché?
•
Incontrano masse di aria fredda
Le masse di aria fredda sono fredde rispetto a cosa?
•
Alle particelle che arrivano dal suolo.
Come facciamo a sapere che le particelle sono più calde dell’aria che
incontrano?
•
Dal loro movimento
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Quindi cosa succede quando il vapore acqueo caldo viene a contatto
con l’aria più fredda ?
•
La massa d’aria acquista calore e il vapore si raffredda: ora si
può parlare di bilancio termico
Dove abbiamo visto come si muove il calore?
•
Nell’esperienza con le boccette piene di colorante
temperature diverse.
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a
LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Come viene trasmesso il calore?
•
Tramite il movimento delle particelle: con gli urti viene
trasmesso il movimento e quindi le particelle di vapore
contenute nell’aria si avvicinano, si formano i legami,
diminuisce la loro temperatura e tornano allo stato
liquido: vediamo le goccioline
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Cos’è la nebbia? E la foschia? Ai primi caldi il pomeriggio c’è foschia:
come si è formata e perché si forma soprattutto a giugno e a luglio e di
meno ad aprile e ad agosto?
•
Perché ci sia foschia l’acqua deve essere calda e l’aria in
alto più fredda: in questo modo c’è il fenomeno della
condensa. Avviene che il vapore rimane sospeso e si forma la
foschia.
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Perché a volte poi piove?
•
Perché
si
formano
goccioline
più
grandi,
pesanti e poi piove.
Ad aprile e settembre non c’è foschia: come si sta al mare?
•
C’è vento
Cosa fa il vento?
•
Distribuisce le masse d’aria.
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diventano
LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Il vento cos’è?
•
E’ uno spostamento di aria da una zona a bassa pressione
ad un’altra ad alta pressione.
Cosa vuol dire alta pressione e bassa pressione? Quando una pressione
è alta?
•
Quando qualcosa preme: l’aria fredda va dall’alto al basso,
perché è più pesante, dato che le molecole sono più vicine essendoci
meno agitazione termica.
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
Quando la pressione è alta l’aria è fredda, le particelle sono più vicine
perché a parità di volume c’è più materia, viene attratta dalla Terra e
deve trovare posto. Allora per prendersi del posto sposta l’aria che
incontra verso una zona dove è bassa la pressione.
Allora cosa scalda l’aria?
•
La Terra.
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LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E
TEMPERATURA
E’ la Terra che fa scaldare l’atmosfera: la troposfera è più calda
alla base e più fredda nella zona più lontana dalla Terra.
•
Quindi la fonte di calore dell’atmosfera è il suolo,
perciò la parte più alta dell’atmosfera è più fredda.
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
Quando due sostanza a diversa temperatura vengono a contatto, tra di
loro avviene uno scambio di calore. Ma solo tra di loro?
•
No, si scalda anche l’aria circostante.
Come si può fare ad isolare gli scambi di calore?
•
Abbiamo bisogno di un termos
Perchè di un termos?
•
Perché isola
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
In che modo isola? Come è fatto un termos?
•
E’ di plastica ed è formato da due strati di recipienti, uno
dentro l’altro, tra i quali c’è aria.
Perché c’è aria?
•
Come per le finestre, l’aria è un isolante termico
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
Perché è un isolante? Toccare un becher contenente acqua
bollente, mettere una mano nell’acqua bollente, mettere una mano
sopra l’acqua bollente: producono lo stesso effetto? Perché?
•
L’aria è un aeriforme ed è molto più rarefatto rispetto ad un
solido o ad un liquido
•
le particelle d’aria che urtano contro la mano sono di meno
rispetto a quelle che la colpirebbero in acqua, quindi percepisco di
meno la temperatura rispetto al liquido.
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
L’aria è dunque un buon isolante, ma non è un isolante al
100%. Come si può fare a valutare la capacità di un sistema isolante?
Quali sono le grandezze che ci permettono di valutare la “bontà” di un
sistema isolante?
•
La temperature e il calore scambiato
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
Se mettiamo dell’acqua calda in un termos si scalda anche il
termos. Cosa possiamo fare per misurare quanto si scalda il
termos?
•
Possiamo scaldare dell’acqua e ne misuriamo la
temperatura. Poi la mettiamo nel termos insieme ad un
termometro e leggiamo la temperatura
dell’equilibrio.
•
La temperatura dell’acqua diminuisce.
Perché ? Cosa è successo?
•
Il termos si è scaldato
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
Il nostro strumento si chiama calorimetro ed ha una sua capacità
termica. Per misurarla come possiamo fare?
•
Mettiamo una certa quantità di acqua a temperatura ambiente
nel calorimetro e misuriamo la temperatura iniziale del sistema.
•
Poi scaldiamo una uguale quantità di acqua, la inseriamo nel
calorimetro e leggiamo la temperatura dell’equilibrio termico.
•
Supponendo che non venga disperso calore con l’ambiente
esterno, le quantità di calore sono scambiate tra calorimetro, acqua a
temperatura ambiente e acqua scaldata.
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
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LABORATORIO MENTALE - SISTEMI ISOLATI: IL
CALORIMETRO
Le temperature di equilibrio sono la media aritmetica delle
due temperature?
•
No
Perché?
•
Perché ha assorbito calore anche il calorimetro.
Si può ora guidare gli studenti in un’attività quantitativa che
permette di calcolare la capacità termica del calorimetro (massa
equivalente in acqua)
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UNA RIFLESSIONE
Nel mettere le attività laboratoriali al centro delle pratiche
didattiche, il poco tempo a disposizione obbliga ad una drastica
selezione degli argomenti da trattare: non ci si può prefiggere di
svolgere un “programma”.
Bisogna scegliere, all’interno dei temi contenuti nelle indicazioni
ministeriali, pochi fenomeni significativi, mettendone in evidenza
quegli aspetti che aiutino a capire come e perché si verifichino e
utilizzando attività sperimentali che aiutino ad interpretarli e a
costruire dei modelli.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Cosa si percepisce?
•
Le due mani immerse nella vaschetta dell’acqua
tiepida
percepiscono sensazioni diverse, la sinistra avverte una sensazione di calore
superiore rispetto alla destra
•
Dopo un po’ la differenza diminuisce
Queste sono sensazioni.
Ognuno di noi non può sapere come la sensazione viene avvertita dall’altro
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Osservazioni: si osserva che nell’introdurre entrambe le mani nel
contenitore con acqua tiepida le sensazioni delle due mani sono
discordanti:
Per la mano destra, che prima era venuta a contatto con l’acqua calda,
l’acqua sembra fredda;
per la mano sinistra, che era venuta a contatto con l’acqua fredda, la
stessa acqua sembra calda.
Dopo alcuni secondi la sensazione percepita da entrambe le mani è la
stessa.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Conclusione: si deduce che l’epidermide non registra la
temperatura dell’acqua, ma solo le variazioni tra le temperature
di ciò con cui viene a contatto.
Nel contenitore con l’acqua tiepida, dopo alcuni secondi, la
sensazione percepita dalle mani diviene la stessa in quanto si
ambientano alla nuova temperatura.
PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA
LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO
ATRI 1 FEBBRAIO 2012
PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Con il passare del tempo l’acqua calda contenuta nella terza
bacinella si raffredda in quanto cede calore, mentre l’acqua
fredda del primo contenitore si riscalda perché acquista calore.
La sensazione provata a seguito dell’immersione delle mani nel
contenitore centrale è differente per ogni soggetto che esegue
l’esperimento e da questo si deduce che lo stato termico produce
sensazioni soggettive.
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ATRI 1 FEBBRAIO 2012
PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Si possono fare esempi di corpi che nel quotidiano si riscaldano?
•
Tutto ciò che viene cotto
•
Una stanza attraverso termosifone o caminetto.
E l’acqua nel becker?
•
Ha come fonte il bunsen.
E’ visibile che la sorgente sia quella?
•
Lo dimostrano le bollicine, sono più numerose in basso, vicino
alla fonte di calore e meno in alto, lontano dalla fonte di calore
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Osservazioni: si osserva che nella prima bacinella, dove è contenuta
l’acqua fredda, il colorante inizia a diffondersi meno rapidamente del
colorante versato nell’acqua calda. Dopo circa tre minuti nel primo
contenitore il movimento del colorante è appena percettibile, mentre
nell’acqua calda la diffusione continua.
Conclusione: il colorante si diffonde maggiormente nell’acqua calda
in quanto le particelle sono in maggiore agitazione termica perché la
temperatura è più elevata; ciò permette una diffusione facilitata del
liquido colorato.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
Si osserva come l’acqua colorata calda si diffonde nell’acqua
fredda mentre il viceversa non avviene.
Anche in questo caso, come nel precedente, sembra fermarsi la
diffusione. Perchè?
•
Perché il volume dell’acqua calda è maggiore di quello
dell’acqua fredda.
Ma anche nella bacinella piena di acqua fredda il volume
dell’acqua fredda è maggiore di quello dell’acqua calda colorata
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
•
Quello che conta è il volume dell’acqua calda, perché
nell’esperienza precedente il colorante si è diffuso di più
nell’acqua calda
Ma allora perchè l’acqua calda nel barattolo piccolo si è diffusa nel
volume maggiore di acqua fredda?
•
•
•
•
l’acqua fredda colorata contenuta nel barattolo va verso
il basso e non riesce ad uscire dal contenitore
nel barattolo con acqua colorata calda, l’apertura del
coperchio ha creato movimento ed ha fatto uscire
maggior colorante
Si può ripetere rovesciando il barattolo di acqua colorata
anziché aprirlo.
L’effetto sarebbe lo stesso della goccia di colorante
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
•
c’è stato un movimento di acqua colorata calda
l’acqua fredda e non viceversa
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verso
PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Osservazioni: si osserva che nel recipiente di acqua fredda l’acqua
calda colorata contenuto nel vasetto sale e si diffonde nell’acqua.
Nel recipiente di acqua calda invece il liquido freddo colorato del
vasetto non si diffonde ma rimane nella boccetta.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Conclusione: se ne deduce che il movimento va dal caldo verso il freddo.
Nel primo caso l’acqua calda esce dalla boccettina e sale verso l’alto
perché meno densa, ma nel contatto con l’acqua fredda circostante si
raffredda e la sua densità aumenta causandone la discesa e diffondendo
così il colore nell’acqua del recipiente grande.
Nel secondo caso l’acqua fredda colorata per uscire dovrebbe avere una
densità minore (ossia una temperatura maggiore) dell’acqua esterna alla
boccettina. Infatti rimane all’interno della boccettina.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Osservazioni: si osserva che il liquido contenuto nel vasetto sale lungo la
cannuccia.
Ciò può non essere osservato pienamente al primo tentativo se:
la boccetta non viene sigillata in modo corretto e ha quindi una perdita di
aria calda,
l’acqua non è sufficientemente calda e quindi non permette il
riscaldamento dell’aria contenuta nella boccetta,
la cannuccia tocca il fondo non permettendo il passaggio del liquido.
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PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO
…dalla relazione di uno studente:
Conclusione: il fluido sale nella cannuccia perché l’acqua calda
del contenitore in cui è immerso il vasetto, riscalda l’aria della
boccetta che si dilata e preme sul liquido che è quindi costretto a
salire lungo la cannuccia.
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
… piccoli problemi pratici, che sono stati spunto per una
discussione sul fenomeno studiato.
Nella discussione si è cercato di far emergere conoscenze e
cognizioni intuitive tratte dal quotidiano.
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Nell’inserire il tappo di gomma, alla base del tappo e
nel capillare si formano bolle d’aria
Perché non devono esserci bolle d’aria?
•
Perché dovremmo analizzare l’effetto del calore
su due diverse sostanze che potrebbero
comportarsi in modo diverso
Come risolvere il problema?
•
Mettendo liquido fino all’orlo, il tappo farà
uscire il liquido in eccesso
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ATRI 1 FEBBRAIO 2012
EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Dopo aver messo il tappo, il liquido in eccesso esce
ma sale troppo in alto lungo il capillare, che è
quindi risultato troppo corto
Come facciamo a togliere il liquido in eccesso?
•
Rovesciamo la beuta
MA IL LIQUIDO COLORATO NON ESCE!!!!!!!
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Perché il liquido non esce?
•
Perché si crea l’aria nel tubicino
•
Perché non c’era l’aria nella bottiglia
•
Perché non c’era la forza di gravità sul
liquido
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
•
Perché l’aria sottostante spinge il liquido che non riesce
a scendere
•
è come l’esperienza del bicchiere pieno di acqua che
viene rovesciato ricoprendolo con un semplice foglio di
carta: l’acqua non cade perché la pressione atmosferica
agisce sul foglio di carta bilanciando la forza peso
dell’acqua
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EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Se si volesse verificare questa ipotesi cosa si potrebbe fare?
•
Togliere l’aria dal tubo
E’ possibile? In che modo ?
•
Con qualcosa che l’aspira
Ma l’aria che sta nel tubo non è chiusa! E tutta quella che si trova
intorno
Allora quale potrebbe essere un metodo per togliere il liquido in
eccesso?
•
Inclinare la bottiglia per trovare uno spiraglio tra l’aria
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ATRI 1 FEBBRAIO 2012
EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA
Inclinando la bottiglia l’acqua non esce
•
Togliamo l’acqua con una pipetta
Non sono state trovate pipette e micro pipette della grandezza
giusta
•
Utilizziamo una siringa con un ago abbastanza lungo
Dopo aver tolto l’acqua sono rimaste delle goccioline sulle
pareti del capillare. Uno studente ha chiesto:
•
possono influire queste goccioline sulla nostra
misurazione?
•
La nostra misurazione è grossolana quindi quella
quantità non influisce sul volume dell’acqua nel tubicino
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…dalla relazione di uno studente
ATTIVITA’ DI LABORATORIO: DILATAZIONE
UNIDIMENSIONALE DI UN LIQUIDO
RELAZIONE TEMPO-DILATAZIONE
RELAZIONE TEMPERATURA-DILATAZIONE
35
TEMPO (s)
30
25
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
120
20
40
60
80
DILATAZIONE (mm)
LUNGHEZZA (mm)
RELAZIONE TEMPO-TEMPERATURA
450
400
350
TEMPO (s)
TEMPERATURA (°C)
40
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
TEMPEATURA (°C)
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ATRI 1 FEBBRAIO 2012
100
120
RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
L’elaborazione di questa indagine è lasciata inizialmente ai singoli
studenti.
Viene successivamente ripresa in classe in una discussione collettiva.
Dopo la discussione collettiva, si decide di ripetere la raccolta dei dati
utilizzando olio di oliva al posto dell’olio di semi e cercando di
effettuare delle misurazioni più attente ed accurate per ottenere dei
risultati quantitativi più affidabili.
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Prima conclusione collettiva:
•
Assumendo che il nostro fornello ceda una quantità di calore
costante al passare del tempo, il fatto che dai dati in tabella risulti t
direttamente proporzionale a T
ci permette di concludere che la
quantità di calore fornita è direttamente proporzionale alla variazione di
temperatura dell’acqua.
La costante di proporzionalità Q/T si chiama capacità termica ed è
una grandezza estensiva, cioè dipende dalla quantità di sostanza.
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RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Seconda conclusione collettiva:
•
la quantità di calore fornita è anche direttamente proporzionale alla
massa dei corpi.
Si chiede allora di calcolare il rapporto tra il tempo e la massa per la
variazione di temperatura :
gli studenti possono così verificare che questo rapporto è costante
per corpi costituiti da una stessa sostanza mentre cambia al cambiare
della sostanza di cui è costituito il corpo.
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ATRI 1 FEBBRAIO 2012
RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Si può così portarli a definire questa costante come calore specifico:
se si assegna valore unitario (con unità di misura cal/g°C) al calore
specifico dell’acqua, si possono calcolare i calori specifici relativi
all’acqua delle altre sostanze .
E’ interessante poi il confronto dei valori trovati con quelli reperibili sul
libro di testo, anche per dare agli studenti una riferimento
sull’attendibilità delle loro misurazioni
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…dalla relazione di uno studente
ATTIVITA’ DI LABORATORIO: QUALI GRANDEZZE FISICHE
SONO LEGATE AL CALORE?
RELAZIONE TEMPO-VARIAZIONE DI
TEMPERATURA ACQUA
350
TEMPO (s)
300
100 ml ACQUA
250
200 ml ACQUA
200
Lineare (100 ml
ACQUA)
Lineare (200 ml
ACQUA)
150
100
50
0
0
20
40
60
VARIAZIONE TEMPERATURA (°C)
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…dalla relazione di uno studente
ATTIVITA’ DI LABORATORIO: QUALI GRANDEZZE FISICHE
SONO LEGATE AL CALORE?
RELAZIONE TEMPO-VARIAZIONE DI
TEMPERATURA OLIO DI SEMI
TEMPO (s)
300
250
OLIO 100 ml
200
OLIO 200 ml
150
Lineare (OLIO 100
ml)
Lineare (OLIO 200
ml)
100
50
0
0
20
40
60
80
VARIAZIONE TEMPERATURA (°C)
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…dalla relazione di uno studente
ATTIVITA’ DI LABORATORIO: QUALI GRANDEZZE FISICHE
SONO LEGATE AL CALORE?
RELAZIONE TEMPO-VARIAZIONE DI TEMPERATURA ALCOOL
450
400
TEMPO (s)
350
300
ALCOOL 100 ml
250
200
ALCOOL 200 ml
Lineare (ALCOOL 200 ml)
150
Lineare (ALCOOL 100 ml)
100
50
0
0
20
40
60
80
VARIAZIONE DI TEMPERATURA (°C)
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LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO
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…dalla relazione di uno studente
ATTIVITA’ DI LABORATORIO: QUALI GRANDEZZE FISICHE
SONO LEGATE AL CALORE?
TEMPO-VARIAZIONE DI TEMPERATURA PER 100 ml DI
ACQUA, OLIO, ALCOOL
300
TEMPO (s)
250
ACQUA
OLIO
ALCOOL
200
150
Lineare (ACQUA)
Lineare (OLIO)
100
Lineare (ALCOOL)
50
0
0
20
40
60
80
VARIAZIONE TEMPERATURA (°C)
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