IL LABORATORIO COME LUOGO DI INDAGINE

1. 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

2. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

3. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

4. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

5. 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 a conclusioni e generalizzazioni PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

6. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

7. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

8. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

9. PERCORSO esperienzequalitative-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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

10. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

11. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

12. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

13. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

14. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

15. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

16. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

17. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

18. PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO Bacinella con acqua calda Vasetto con acqua fredda colorata Bacinella con acqua fredda Vasetto con acqua calda colorata PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

19. 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: PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

20. PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

21. PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

22. PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

23. PRIME ESPERIENZE: CONTESTI DI SENSO PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

24. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

25. 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 . PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

26. 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) PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

27. 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). PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

28. EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

29. 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 . PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

30. EFFETTI DEL CALORE SULLA MATERIA PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

31. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

32. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

33. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

34. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

35. RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

36. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

37. RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

38. LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRACALORE 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

39. LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRACALORE 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

40. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

41. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

42. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

43. 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 a temperature diverse. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

44. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

45. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

46. LABORATORIO MENTALE: RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA Perché a volte poi piove? • Perché si formano goccioline più grandi, diventano 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

47. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

48. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

49. 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. PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012

50. 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 PROF.SSA CIPOLLONE CARMELITA LICEO SCIENTIFICO “C. D’ASCANIO” – MONTESILVANO ATRI 1 FEBBRAIO 2012