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PROGETTAZIONE GENERALE SU MISURA&FLUIDI
di Castellarin Mariaelena (m.116823) INTRODUZIONE. La fisica si pone l’obiettivo di fare in modo che tutte le proprietà siano misurate e che tutto diventi grandezza fisica. La misura è quindi considerata un processo fondamentale che permette di quantificare una grandezza fisica e che viene utilizzata per la formulazione delle leggi fisiche. Tutte le misure hanno un incertezza che si trasmette a tutti i calcoli e che dipende anche dallo strumento utilizzato. L’incertezza è l’intervallo intorno al valore misurato (più probabile) che indica di quanto il risultato della misura si può discostare da ciò che scrivo. La misura rappresenta un argomento che ha applicazioni sul piano sociale: determinare le misure permetterà infatti all’alunno di progettare modelli concreti di vario tipo. Per quanto riguarda i liquidi, in fisica, essi - così come i gas - rientrano nel concetto di fluido e vengono definiti come tutto ciò che fluisce e scorre, non reagendo a deformazioni di taglio. L’unica differenza riscontrata tra i liquidi e i gas è la capacità di comprimibilità: i liquidi sono poco comprimibili mentre i gas sono altamente comprimibili. Nell’ambiente intorno troviamo oggetti solidi, liquidi e gassosi e quindi i bambini ne hanno a che fare ogni giorno. Il percorso coinvolge gli alunni in attività didattiche che permettono l’osservazione diretta dei fatti, lo spirito di ricerca, la sperimentazione. Questi fattori rafforzano nei bambini la fiducia nelle loro capacità di pensiero, l’imparare dagli errori propri e altrui, l’apertura ad opinioni diverse e la capacità di argomentazione. Attraverso la seguente progettazione è inoltre possibile rafforzare negli alunni la matematica delle addizioni e delle moltiplicazioni. IMPOSTAZIONE. Si fanno vivere esperienze legate ai fluidi. Attraverso una prima attività, si fa scoprire ai bambini la definizione di fluido come qualcosa che scorre e che scorre sempre in modo da portarsi nello strato più esteso e sottile possibile. Inoltre si fa comprendere che ogni fluido ha una capacità di scorrere più o meno bene chiamata viscosità. Successivamente si costruisce l’idea di pressione , fornendo tre concetti: il primo è l’idea di pressione come forza/superficie, cioè la forza distribuita sulla superficie; il secondo è il fatto che la pressione è legata all’aumento e alla diminuzione della pressione (se si aumenta la pressione, l’effetto sarà una diminuzione di volume); il terzo è la vera e propria definizione di pressione come proprietà di stato di ogni punto del sistema. Costruito il concetto di pressione, si fa comprendere meglio l’idea di compressibilità come la capacità di farsi ridurre il volume, l’idea di compressione come l’azione della pressione che produce un cambiamento di volume, giungendo infine alla conclusione che i liquidi non sono compressibili mentre i gas lo sono e molto. Si prosegue il percorso trattando il P rincipio di Pascal : un azione di compressione in qualunque punto del fluido si sente in tutte le direzioni e in tutti i punti del fluido. Scoperto il Principio di Pascal, si fa vedere la Legge di Stevino : la densità per la quota per la costante g misura la differenza di pressione in base alla profondità, la differenza di pressione dipende dalla differenza di quota soltanto per lo stesso liquido e la pressione sul fondo è più grande. Successivamente si prosegue con la Spinta di Archimede e il galleggiamento dei solidi nei liquidi e dei liquidi nei liquidi. Nel seguente percorso si fanno vivere anche esperienze che riguardano la misura. Si fa scoprire allora ai bambini i criteri da seguire se si vuole misurare una grandezza fisica, ovvero 1. identificare la proprietà di cui si sta parlando, 2. trovare un metodo, che sia generale in fisica e valido quindi per solidi, liquidi e gas, per
misurare la proprietà, 3. prendere un campione di misura e 4. scegliere l’unità di misura. Scoperti i criteri, si prosegue facendo scoprire agli alunni che tutte le misure sono soggette a delle incertezze e che queste dipendono dallo strumento con cui si va ad effettuare la misura e dalle proprietà dell’oggetto/figura da misurare: uno strumento più sensibile fornisce più precisione e una minore incertezza; misurare l’area (o altre proprietà) di figure dalle forme regolari conduce a una minore incertezza rispetto a quella che si avrebbe misurando la stessa proprietà su figure irregolari. APPROCCIO. L’approccio, con cui si introduce la tematica, si fonda su una sperimentazione diretta e una successiva discussione mirate alla comprensione che i liquidi scorrono e scorrono sempre in modo da portarsi nello strato più esteso e sottile possibile. STRATEGIE E METODI. La strategia proposta è l’effettuazione di attività che permettono a ciascun bambino di scoprire facendo. Ogni attività prevede momenti di lavoro da effettuare nel grande gruppo, alle quali seguiranno momenti di riflessione e discussione collettiva. PREREQUISITI. Le attività della progettazione richiedono le seguenti conoscenze e competenze da parte degli alunni:
- conoscenza del concetto di volume come spazio occupato dall’oggetto;
- conoscenza e capacità di usare il righello;
- conoscenza del concetto di massa come grandezza fisica fondamentale che si misura con la bilancia a
bracci, come proprietà scalare, come grandezza conservativa che non cambia nel tempo, nello spazio, per trasformazioni termiche e per reazioni fisiche, come proprietà additiva e distributiva;
- conoscenza del concetto di peso, che a differenza della massa cambia nello spazio;
- conoscenza del concetto di densità: la densità corrisponde alla compattazione della materia (la
compattazione significa che non è stato cambiato niente se non lo spazio in cui metto le cose). MAPPA CONCETTUALE.
Pressione : forza distribuita sulla superficie. A seconda di come si distribuisce la massa sulla superficie, si ha una pressione più grande o più piccola. Pressione : è una proprietà di stato. Quando si stringe un corpo, tutti i punti del corpo si sentono stretti e quindi tutti sentono la pressione.
AFFONDAMENTO DI UN SACCHETTO DI CARAMELLE SU
UNA SUPERFICIE DI FARINA.
Si prende un sacchetto di caramelle e una superficie di sabbia. Si appoggia il sacchetto di caramelle in orizzontale e poi in verticale sulla superficie. Osservazioni: L’affondamento, che rappresenta la pressione, è più grande quando il sacchetto è in verticale, più piccolo quando è in orizzontale. Conclusioni:
- La pressione è la forza distribuita sulla superficie.
- Si ha una pressione più grande o più piccola a seconda della
distribuzione della massa sulla superficie. LA PRESSIONE CON DUE PALLE DI GOMMA PIUMA. Si inseriscono due palle di gomma piuma dentro un collant. Si stringe forte, facendo vedere che la pressione in ogni punto interno è la stessa. Osservazioni: la pressione in ogni punto interno è la stessa. Conclusioni: la pressione è una proprietà di stato. Principio di Pascal : un azione di compressione in qualunque punto del fluido si sente in tutte le direzioni e in tutti i punti del fluido; produce un effetto su tutti i punti del liquido.
LA BOTTIGLIA ORIZZONTALE CON I FORI ALLA STESSA
ALTEZZA.
Si prende una bottiglia di plastica su cui sono stati fatti dei fori ad altezze diverse (se vista verticalmente). Si riempie la bottiglia di acqua e la si pone tappata orizzontalmente su un sottovaso, in modo che la fila di fori risulti alla stessa altezza. Si applica una compressione subito sotto al tappo della bottiglia. OsservazionI: dai fori fuoriescono zampilli di pari intensità. Conclusioni. L’aumento di pressione dell’acqua nella bottiglia, quando questa viene compressa, può essere osservato guardando l’altezza degli zampilli che sgorgano dai fori. Poiché gli zampilli uscenti dai fori di diversa distanza dal punto di applicazione della sollecitazione sono di pari altezza, anche la pressione aumenta di pari intensità in tutto il fluido.
Legge di Stevino : la pressione in un liquido aumenta con la profondità. L ’ i n t e n s i t à d e l l o z a m p i l l o è direttamente proporzionale alla profondità del foro sulla bottiglia. La pressione dell’acqua ad una profondità maggiore risulta maggiore. Essa cresce proporzionalmente in base all’altezza del liquido sovrastante. LA BOTTIGLIA CON FORI AD ALTEZZE DIVERSE e LA MISURA DELLA DISTANZA A CUI ARRIVANO GLI ZAMPILLI D’ACQUA. Si prende una bottiglia su cui sono stati fatti dei fori ad altezze diverse. Si riempie la bottiglia di acqua e la si pone verticalmente su un sottovaso. Si misura la distanza a cui arrivano gli zampilli d’acqua utilizzando un campione (un quadretto di lato 1cm). Osservazioni: si osserva che da tutti i fori fuoriescono zampilli d’acqua di diversa intensità. Dal foro inferiore fuoriesce uno zampillo più lungo, mentre dai fori più alti fuoriescono zampilli sempre più corti. Conclusioni:
- La pressione in un liquido aumenta con la profondità.
- La pressione dell’acqua ad una profondità maggiore risulta
maggiore. Essa cresce proporzionalmente in base all’altezza del liquido sovrastante.
- L’intensità dello zampillo è direttamente proporzionale alla
profondità del foro sulla bottiglia. La spinta di Archimede. SPINTA DI PALLE NELL’ACQUA. Si prende una vasca d’acqua e palle, piccole e grandi. Si mettono le palle nell’acqua. Visto che le palle galleggeranno, si chiede di farle andare a fondo e poi di mollare la presa. Osservazioni: Quando si spingono le palle dentro l’acqua, l’acqua spinge le palle fuori. Conclusioni: Un corpo immerso all’interno di un liquido, riceve una spinta dal liquido stesso.
- le attività evidenziate in verde sono attività propedeutiche. NODI CONCETTUALI.
- Definizione di fluido.
- Viscosità.
- Compressione/Compressibilità/comprimibilità.
- Pressione.
Un corpo galleggia se il suo peso è equilibrato dalla spinta idrostatica. Il comportamento in acqua di oggetti diversi dipende dalla densità relativa dell’oggetto rispetto a quella del liquido.
GALLEGGIAMENTO DI SOLIDI IN LIQUIDI.
Ovetti di pari volume e diversa massa si inseriscono in una vasca d’acqua. Osservazioni:
- Ovetti di pari volume e diversa massa si posizionano a
diverse altezze nella vasca d’acqua, in ragione della loro diversa massa, con la regola: massa maggiore, maggiore affondamento. Conclusioni:
- Un corpo galleggia se il suo peso è equilibrato dalla spinta
idrostatica.
- Il comportamento in acqua di oggetti diversi dipende da due
grandezza insieme: la massa e il volume dei medesimi.
- La grandezza fondamentale coinvolta nel fenomeno del
galleggiamento è la densità dell’oggetto. I liquidi hanno diversa densità. I liquidi s i dispongono in base ai valori crescenti di densità , dall’alto verso il basso ( chi è più denso sta in fondo, chi è meno denso sta in alto ).
GALLEGGIAMENTO DI LIQUIDI IN LIQUIDI.
Liquidi diversi, contenuti in uno stesso recipiente, sono sovrapposti l’uno sull’altro. Si può ripetere l’esperimento, cambiando l’ordine con cui versiamo il liquido e usando sempre uguali quantità di liquido. La stratificazione non cambierà. Osservazioni: si osserva che i liquidi utilizzati sono insolubili e si stratificano uno sull’altro collocandosi a diverse altezze, con la regola: i liquidi in base a valori crescenti di densità, si dispongono dall’alto verso il basso. Conclusioni: Anche i liquidi galleggiano sui liquidi in base alla loro reciproca densità, secondo la regola “liquidi di densità relativa inferiore galleggiano su liquidi di densità relativa maggiore”.
- Principio di Pascal.
- Legge di Stevino.
- Misura della distanza a cui arrivano gli zampilli d’acqua
- Legge di Archimede.
- Spinta dell’acqua.
- Misura dell’allungamento della molla e misura dell’accorciamento della molla in seguito alla spinta
dell’acqua.
- Densità.
- Galleggiamento di solidi in liquidi.
- Galleggiamento di liquidi nei liquidi.
- Campione di Misura e Unità di misura.
- Criteri da seguire per la misurazione di una grandezza fisica.
- Incertezza di misura.
- Legame tra la sensibilità dello strumento e l’incertezza.
RISORSE.
- Appunti del corso di Didattica della Fisica in SFP.
PROGETTAZIONE SPECIFICA SU MISURA & FLUIDI
di Castellarin Mariaelena (m.116823) SCUOLA: G e L Brunetta, Prata di Pordenone (PN). CLASSE: Quarta.
FILO DELLE ATTIVITA’.
NODO DI
APPRENDIMENTO
ATTIVITA’ DOMANDE
Definizione di fluido : qualcosa che scorre e fluisce, sempre in modo da portarsi nello strato più esteso e sottile possibile Viscosità : capacità del fluido di scorrere meglio o peggio.
SCORRIMENTO DEI LIQUIDI SU
PIANO INCLINATO.
Si versano i liquidi (olio, acqua, detersivo ecc) su un piano inclinato. Conclusioni: I liquidi scorrono e scorrono in modo da portarsi nello strato più esteso e sottile possibile. Ci sono liquidi che scorrono meglio e altri invece che scorrono peggio. Domanda1. Q u a l e p r o p r i e t à / c a r a t t e r i s t i c a possiedono tutti i liquidi? Domanda2. Come scorrono i liquidi? Scorrono tutti allo stesso modo? Possiedono tutti la stessa velocità?
P r e s s i o n e : f o r z a d i s t r i b u i t a s u l l a superficie. A seconda di come si distribuisce la massa sulla superficie, si ha u n a p r e s s i o n e p i ù grande o più piccola. P r e s s i o n e : è u n a proprietà di stato. Quando si stringe un corpo, tutti i punti del corpo si sentono stretti e quindi tutti sentono la pressione.
A F F O N D A M E N T O D I U N
SACCHETTO DI CARAMELLE SU
UNA SUPERFICIE DI FARINA.
Si prende un sacchetto di caramelle e una superficie di sabbia. Si appoggia il sacchetto di caramelle in orizzontale e poi in verticale sulla superficie. Osservazioni: L’affondamento, che rappresenta la pressione, è più grande quando il sacchetto è in verticale, più piccolo quando è in orizzontale. Conclusioni:
- La pressione è la forza distribuita
sulla superficie.
- Si ha una pressione più grande o
p i ù p i c c o l a a s e c o n d a d e l l a distribuzione della massa sulla superficie. LA PRESSIONE CON DUE PALLE DI GOMMA PIUMA. Si inseriscono due palle di gomma piuma dentro un collant. Si stringe forte, facendo vedere che la pressione in ogni punto interno è la stessa. Osservazioni: la pressione in ogni punto interno è la stessa. Conclusioni: la pressione è una proprietà di stato. D o m a n d a 1. D a c o s a d i p e n d e l’affondamento (grande o piccolo) del sacchetto di caramelle? Domanda2. In quale delle due situazioni (sacchetto in verticale e s a c c h e t t o i n o r i z z o n t a l e ) l’affondamento è maggiore? Domanda3. Si stringono tutti i punti della palla di gomma? Allora, cosa significa? Sentono tutti la stessa pressione?
Principio di Pascal : un azione di compressione in qualunque punto del fluido si sente in tutte le direzioni e in tutti i punti del fluido; produce un effetto su tutti i punti del liquido.
LA BOTTIGLIA ORIZZONTALE CON
I FORI ALLA STESSA ALTEZZA.
Si prende una bottiglia di plastica su cui sono stati fatti dei fori ad altezze diverse (se vista verticalmente). Si riempie la bottiglia di acqua e la si pone tappata orizzontalmente su un sottovaso, in modo che la fila di fori risulti alla stessa altezza. Si applica una compressione subito sotto al tappo della bottiglia. OsservazionI: dai fori fuoriescono zampilli di pari intensità. Conclusioni. L’aumento di pressione dell’acqua nella bottiglia, quando questa viene compressa, può essere osservato guardando l’altezza degli zampilli che sgorgano dai fori. Poiché gli zampilli uscenti dai fori di diversa distanza dal punto di applicazione della sollecitazione sono di pari altezza, anche la pressione aumenta di pari intensità in tutto il fluido. Domanda1. Che cosa succede quando schiaccio la bottiglia sotto al tappo? Domanda2. Come sono gli zampilli? Hanno la stessa intensità? Come te lo spieghi?
La spinta di Archimede. SPINTA DI PALLE NELL’ACQUA. Si prende una vasca d’acqua e palle, piccole e grandi. Si mettono le palle nell’acqua. Visto che le palle galleggeranno, si chiede di farle andare a fondo e poi di mollare la presa. Osservazioni: Quando si spingono le palle dentro l’acqua, l’acqua spinge le palle fuori. Conclusioni: Un corpo immerso all’interno di un liquido, riceve una spinta dal liquido stesso. Domanda1. Provate a spingere le palle dentro l’acqua e poi mollarle. Cosa ha fatto l’acqua? La spinta è determinata da come la massa del materiale è distribuita nello spazio (densità). Se lo spazio occupato è g r a n d e , l a s p i n t a è grande. Se lo spazio occupato è più piccolo, la spinta è minore.
SPUGNA SCHIACCIATA DENTRO IL
COLLANT IN ACQUA.
Si prende una spugna, la si schiaccia tanto, aiutandoci con un collant, e poi la si immerge in acqua. La spugna affonda. Lasciamo che la spugna si espanda: la spugna va su e galleggia. Osservazioni:
- Se si schiaccia la spugna dentro un
collant e la si immerge in acqua, la spugna inizialmente affonda.
- La spugna, piano piano, si espande
e comincia ad andare verso l’alto, fintanto da galleggiare. Conclusioni:
- La spinta è determinata da come la
massa del materiale è distribuita nello spazio (densità).
- Se lo spazio occupato è grande, la
spinta è grande.
- Se lo spazio occupato è più piccolo,
la spinta è minore. Domanda1. Quando schiacciamo la spugna con un collant e poi la immergiamo in acqua, la spugna cosa fa? Domanda2. Dopo un po’ di tempo, cosa fa la spugna? Domanda3. Come mai prima la spugna affondava e poi tornava a galla? Com’era la spugna nella prima situazione rispetto alla seconda? Quindi la spinta che il liquido da alla spugna da cosa è determinata?
La massa prima e dopo l’esplosione è la stessa, ma il popcorn è meno compatto. Densità : corrisponde a l l a c o m p a t t a z i o n e della materia ; significa che non ho cambiato niente se non lo spazio.
DENSITA’ DEI POPCORN PRIMA E
DOPO LA LORO ’ESPLOSIONE.
Si prendono dei popcorn e si misura la loro massa con la bilancia. Si fanno esplodere i popcorn e si misura la loro massa con la bilancia. Si confrontano i due pop-corn. Osservazioni:
- La massa prima e dopo l’esplosione
è la stessa, ma il popcorn è meno compatto. Conclusioni:
- L a d e n s i t à c o r r i s p o n d e a l l a
compattazione della materia. Domanda1. Come sono i popcorn prima e dopo l’esplosione? La loro massa è uguale (prima e dopo l’esplosione)? Un corpo galleggia se il suo peso è equilibrato dalla spinta idrostatica. Il comportamento in acqua di oggetti diversi dipende dalla densità relativa dell’oggetto rispetto a quella del liquido.
GALLEGGIAMENTO DI SOLIDI IN
LIQUIDI.
Ovetti di pari volume e diversa massa si inseriscono in una vasca d’acqua. Osservazioni:
- Ovetti di pari volume e diversa
massa si posizionano a diverse altezze nella vasca d’acqua, in ragione della loro diversa massa, con la regola: massa maggiore, maggiore affondamento. Conclusioni:
- Un corpo galleggia se il suo peso è
equilibrato dalla spinta idrostatica.
- Il comportamento in acqua di oggetti
diversi dipende da due grandezza insieme: la massa e il volume dei medesimi.
- L a g r a n d e z z a f o n d a m e n t a l e
c o i n v o l t a n e l f e n o m e n o d e l g a l l e g g i a m e n t o è l a d e n s i t à dell’oggetto. Domanda1. Quali fra gli ovetti affondano? Come ve lo spiegate?
sulla farina: l’attività di misurazione ha permesso di comprendere e allo stesso tempo vedere meglio che l’affondamento del sacchetto era maggiore se lo si poneva in verticale rispetto a quando lo si appoggiava in orizzontale. Durante l’esperimento volto a far scoprire il Principio di Pascal (LA BOTTIGLIA ORIZZONTALE CON I FORI ALLA STESSA ALTEZZA) i bambini hanno misurato la distanza dalla bottiglia a cui arrivava lo zampillo d’acqua: l’attività ha permesso di dimostrare la validità o meno dell’affermazione di alcuni di loro “gli zampilli hanno lunghezza diversa dalla bottiglia”. ANALISI DEI PROCESSI DI APPRENDIMENTO. Effettuati tutti gli esperimenti, ho chiesto agli alunni di scrivere oppure di disegnare quello che avevano imparato. Dall’analisi del materiale raccolto, è emerso che la maggior parte dei bambini ha compreso molto bene il concetto di viscosità, ovvero la capacità del fluido di scorrere meglio o peggio, e che i liquidi si dispongono l’uno sopra l’altro in base ai valori crescenti di densità.
Come si può vedere leggendo il grafico sopra riportato:
- Otto bambini dicono che alcuni liquidi come l’alcool e l’olio possono galleggiare l’uno sopra l’altro.
- Sei alunni hanno compreso che la pressione è più grande o più piccola a seconda di come viene
distribuita la massa sulla superficie.
- Sei allievi affermano che i corpi immersi in un fluido possono o galleggiare o affondare, e hanno appreso
quindi che non c’è una via di mezzo.
- Tre bambini danno la definizione di fluido come qualcosa che scorre e fluisce.
- Due alunni pensano che la pressione in un liquido aumenta con la profondità e quindi riconoscono la
legge di Stevino.
- Un solo allievo dice che l’intensità dello zampillo d’acqua è direttamente proporzionale alla profondità del
foro sulla bottiglia.
- Tre bambini affermano che un corpo immerso all’interno di un liquido, riceve dallo stesso liquido una
spinta verso l’alto e quindi riconoscono la Spinta di Archimede.
- Due alunni riconoscono che la spinta effettuata dal liquido sull’oggetto immerso è determinata da come la
massa del materiale è distribuita nello spazio e quindi dalla densità.
- Cinque allievi affermano che i corpi immersi in acqua possono galleggiare, ma non individuano una
seconda situazione, ovvero l’affondamento. Due soli bambini non esprimono i concetti appresi: uno si limita a descrivere alcuni dei procedimenti effettuati mentre l’altro elenca tutti i liquidi che sono stati utilizzati. APPRENDIMENTO DELL’INSEGNANTE IN FORMAZIONE. L’esperienza avuta mi ha permesso di comprendere l’importanza dell’organizzazione dello spazio: se si predispone un tavolo centrale attorno al quale i bambini possano disposti in cerchio, è più facile mantenere la loro attenzione sugli esperimenti proposti. Inoltre, ho rafforzato l’idea che concetti astratti e/o di difficile comprensione vadano introdotti durante la mattinata, non al pomeriggio quando i bambini sono stanchi. APPRENDIMENTO PERSONALE. La prima fase di progettazione mi ha permesso di consolidare conoscenze riguardanti i fluidi che prima avevo acquisito soltanto parzialmente. Inoltre, durante la fase operativa, mi sono resa conto di essermi sentita nei confronti delle insegnanti della classe, presenti durante la sperimentazione, più una loro collega che studentessa.
