Fisicamente

di Roberto Renzetti

Roberto Renzetti

PREMESSA

         Nella mia carriera di insegnante sono stato fortunato, sono spesso inciampato ed altre volte chiamato, a sperimentazioni di grandissimo interesse. Nell’anno 1972 insegnavo in un Liceo Sperimentale di Roma, il Liceo Unitario Sperimentale (LUS) che per strane vicende(1) iniziò con il chiamarsi di Via Livenza, quindi di Via Panzini ed infine di Via della Bufalotta. La nostra Preside ci teneva molto che fossimo all’avanguardia in tutto e ci spingeva ad ogni aggiornamento che andasse in tal senso. Riferisco qui di un lavoro, a mio giudizio estremamente importante, che scaturì da uno di tali corsi di aggiornamento che, iniziò nel 1972 (Bologna), proseguì nel 1973 (Castel San Pietro, BO) e 1974 (Bologna) e si protrasse almeno fino al 1975 (Bologna) in diverse sessioni di lavoro. Questo aggiornamento fu magistralmente diretto da Nella Tomasini Grimellini dell’Istituto di Fisica dell’Università di Bologna (IFUB), una vera colonna della didattica delle fisica del nostro Paese.

         Questa esperienza è stata raccontata dalla stessa Nella Tomasini in Congressi dell’Associazione per l’Insegnamento della Fisica (AIF), sulla rivista di tale associazione, La Fisica nella Scuola(2) ed in una nota interna dell’IFUB del maggio 1975 . Vi sono molte pagine che la raccontano ma non credo sia il caso di riportare tutta la premessa semplicemente perché vi sono dati tecnici e riferimenti legislativi che oggi non significano più nulla. Mi limito a riportare solo ciò che ritengo attuale, trascrivendo in corsivo le cose che dice Nella Tomasini. Il problema da cui si partiva era la discontinuità nello studio delle scienze quando si passa dalla terza media ad una classe di liceo (classico o scientifico). Era inconcepibile dal punto di vista pedagogico e culturale continuare a far finta che non esistessero le Osservazioni Scientifiche nella Media Riformata (1962) che occorreva raccordare con gli insegnamenti del triennio liceale. Tale insegnamento ha (o dovrebbe avere) lo scopo di suscitare nei ragazzi un interesse, quanto più largo e attivo, per tutto ciò che riguarda il  mondo  naturale,  tale  comunque da costituire la base per un successivo ampliamento del discorso, in vista della acquisizione di una mentalità scientifica più rigorosa. Né poteva essere sottovalutata l’esistenza di quella che va sotto il nome di « scuola parallela » dovuta all’importanza, sempre maggiore, assunta dai mezzi di comunicazione di massa come sorgenti di informazioni e l’influenza di questa « scuola » sulla formazione dei giovani.

             L’ipotesi di lavoro di partenza era quindi quella che nella scuola secondaria inferiore l’insegnamento scientifico tendesse non tanto all’apprendimento specialistico di alcune materie, quanto alla creazione di uno spirito critico, di cui il ragazzo possa giovarsi nel porsi di fronte alla realtà, e all’acquisizione di un metodo di indagine che non si blocchi alla pura e semplice memorizzazione di fatti. Occorreva mettere ordine fra le  più  disparate  conoscenze  degli alunni e sfruttare quelle capacità e quelle  motivazioni  acquisite  nella Scuola Media dell’obbligo per iniziare a costruire quelle che possiamo chiamare le basi per una conoscenza organizzata della natura. E soprattutto occorreva non deludere le giuste aspettative dei giovani che si iscrivevano alla Secondaria Superiore.

              Di qui il voto pressante che si provvedesse  ad  eliminare  l’incongruenza, almeno oggi quasi inspiegabile, di una frattura nell’insegnamento delle materie scientifiche. E si provvedesse in modo coordinato.

PERCHE’ UN INSEGNAMENTO COORDINATO DELLE SCIENZE ?

          Quando si parla di coordinamento si  intende  naturalmente  coordinamento orizzontale e coordinamento verticale.  Per  quanto  concerne  il coordinamento verticale la motivazione è abbastanza ovvia:  dare le basi per l’apprendimento degli insegnamenti specializzati del triennio successivo; per quanto concerne invece il coordinamento orizzontale il discorso è più delicato. Infatti non si tratta tanto, a parere di molti di noi, di coordinare le varie parti del discorso da fare con gli alunni, quanto di ricercare e realizzare una unità di apprendimento sul piano metodologico.  Le  ragioni  che  molti scienziati e pedagogisti portano a sostegno della opportunità di un insegnamento coordinato derivano da una visione delle scienze (scienze in generale) basata sulla tendenza moderna verso una unità strutturale delle varie discipline.

              Il problema non è certo semplice, se si vuole tenere conto anche della carente preparazione professionale data dalle nostre Università.

              Intanto disponevamo di lavori importanti che provenivano dall’estero. Vi era, edito dalla benemerita Zanichelli, l’IPS (Introductory Physical Science Group), il PS 2 (Physycal Science 2) statunitensi ed il Nuffield britannico. Vi era cioè quanto ho tentato per molti anni di realizzare in Italia, nel completo disinteresse di tutti (ancora oggi l’atteggiamento è lo stesso), delle opere che nascevano come impresa di ricerca non di un genietto, ma di un gruppo di professionisti in stretto contatto con la realtà della scuola cosa disattesa da Bassanini/Berlinguer in poi, da quando cioè i pedagogisti hanno iniziato l’opera di demolizione spostando i problemi dai contenuti ai metodi.

            Al di là delle intenzioni di Nella Tomasini, io avevo in mente di iniziare un tal lavoro vedendolo proiettato nel futuro come il Nuffield italiano. Naturalmente mi illudevo perché, pur essendoci nei gruppi di lavoro le menti in grado di elaborare il progetto, non vi era poi lo sbocco nella scuola che rimaneva con la legislazione che tutti conoscete e nel Ministero che era lontano anni luce, nei suoi centri decisionali, da questi problemi.

LA SESSIONE DI LAVORO DI CASTEL SAN PIETRO (1973)

            Con queste premesse  la direttrice del corso ci riunisce a Castel San Pietro in un corso residenziale. Il fine era quello già accennato e discusso a Bologna nel 1972, quando avevamo iniziato a studiare i progetti stranieri di cui sopra: realizzare un progetto di insegnamento coordinato delle scienze per ovviare alla discontinuità di tale insegnamento tra medie e licei. La cosa era presente a Nella Tomasini, tanto è vero che invitò solo scuole sperimentali, quelle nelle quali si potesse sperimentare per far si che il nostro non fosse solo un progetto sulla carta ma si andasse sistemando, regolando e perfezionando con il feedback. Inoltre si doveva anche tener presente che, in linea ancora di massima, si pensava di realizzare un qualcosa che avesse nel laboratorio con esperienze fatte dai ragazzi il centro del lavoro. Ciò comportava il disporre almeno di un’aula (non di un laboratorio) da adattare a laboratorio e la necessità di acquistare semplici materiali per realizzare le esperienze. Infine, poiché si doveva lavorare su un insegnamento coordinato e si doveva poi sperimentarlo nelle singole scuole, Nella Tomasini invitò tre insegnanti da ogni scuola, quello di Fisica, di Biologia, di matematica. Chiunque ha lavorato in qualche sperimentazione sa che ritornare a scuola con un qualche entusiasmo e vederselo distruggere dalla routine, dal conformismo e dalle scarse collaborazioni è un tutt’uno. Tornando in tre l’impatto e la forza delle innovazioni sarebbero state diverse (la cosa non riguardava me ed i colleghi della mia scuola che parteciparono al corso perché, come detto, venivamo a questo lavoro proprio per sperimentare il meglio nella scuola).

            Eravamo 29 insegnanti provenienti da tutta Italia. Nella riunione preliminare in cui si fissavano i compiti, gli obiettivi e gli approcci al problema sorsero due approcci diversi al problema. In pratica ci si divise in due gruppi, A e B, con le stesse finalità. Nel gruppo in cui mi riconobbi, oltre il sottoscritto vi era Francesco Della Valle di Lugo, (un fisico con una preparazione eccellente, una persona che mi ha insegnato un mare di cose), Gabbanino di Milano (biologo), Alessandra Marchetto di Roma (matematica), e Marina Vitaletti di Macerata (matematica). Poiché eravamo solo in 5, siamo stati noi a sloggiare dalla sala dei lavori e siamo andati a lavorare in giardino in un chiosco realizzato con un bellissimo e profumatissimo glicine. Dico questo perché da quel momento in poi, il nostro era noto come il gruppo del glicine (oltre che Gruppo B). Presento di seguito il lavoro che abbiamo realizzato, nella versione via via modificata nei successivi incontri e dopo la sperimentazione nelle scuole.

LA PREMESSA AL GLICINE

            Il nostro lavoro è partito da alcune considerazioni di carattere generale che abbiamo ritenuto molto importanti.

            Innanzi tutto ci siamo chiesti a chi insegniamo, cosa insegniamo e perché insegniamo.

             Tralasciando la terza questione, perché esula da questo lavoro, abbiamo individuato in giovani di età scolare di 14-15 anni i nostri interlocutori e abbiamo discusso molto su cosa insegnare.

             In linea del tutto generale questi ragazzi  escono  dalla  scuola  media  con  una preparazione scientifica limitata ad una serie di nozioni spesso slegate e senza alcuna apertura a problematiche diverse.

            Cosa occorre allora insegnare in un biennio liceale? E’ impossibile pensare a «tutte» le scienze ed a «tutta» la fisica per ovvi motivi. Tenendo d’altra parte conto del fatto che il biennio sarà verosimilmente un prolungamento della scuola dell’obbligo e che al suo completamento corrisponderà la chiusura di un ciclo e l’abbandono della scuola da parte di molti ragazzi, si è ritenuto opportuno ripensare più a fondo a cosa insegnare. C’erano vari fattori che si dovevano tener presenti, tra cui:

 1) un discorso specifico in una materia sarebbe stato sterile e non avrebbe risposto all’esigenza di «visione complessiva» che i ragazzi hanno della realtà; necessità quindi di coordinare le materie in un discorso interdisciplinare che non fosse però «tirato per i capelli» ma fosse reale;

2)  l’esigenza da tutti riconosciuta era quella che, qualunque cosa si fosse insegnata, la si dovesse insegnare partendo da una sostanziosa base sperimentale in cui il ragazzo fosse il più possibile l’artefice ed il promotore del lavoro.

            Riguardo al problema dell’interdisciplinarietà abbiamo riconosciuto che le varie materie da affrontare (scienze, chimica, fisica), almeno al livello di cui ci stavamo occupando, hanno contenuti specifici diversi e non facilmente coordinabili soprattutto per difficoltà propedeutiche.

            Cos’è che accomuna le varie scienze?

            E’ il metodo di indagine.

            Per rispondere all’esigenza dell’interdisciplinarità abbiamo così pensato di puntare sul metodo che è comune alle varie scienze. D’altra parte, secondo noi, è intrinsecamente molto importante puntare sul metodo più che su contenuti specifici almeno per due motivi:

1) possedendo un metodo di indagine si possono studiare e capire problemi ed argomenti non specificamente trattati dando ampi margini alla creatività;

2) il livello scolare di cui ci stiamo occupando è più adatto all’acquisizione di un metodo che non all’acritico imparare delle nozioni.

            Tenuto conto di tutto ciò siamo passati all’impostazione del lavoro puntualizzando dapprima una serie di acquisizioni preliminari.

IMPOSTAZIONE DEL LAVORO (per punti)

1) interdisciplinarietà sul metodo comune alle varie scienze – in questo modo abbiamo intravisto la possibilità di coinvolgere anche la matematica;

2) necessità che i programmi eventualmente stilati abbiano uno svolgimento sperimentale nel carattere;

3) necessità di indagare un fenomeno «grezzo» (non sterilizzato nei suoi parametri essenziali), da cui:

— necessità di semplificare (separazione delle variabili),

— necessità di costruire un modello,

— fecondità di esso,

— superamento del modello,

— formulazione successiva, ecc.;

4)  per quanto possibile gli strumenti usati dai ragazzi debbono essere da loro padroneggiati (no alle scatole chiuse, no allo «scimmiottamento»);

5) non bisogna puntare alla quantità di nozioni, ma alla acquisizione di una metodologia scientifica (non importa ciò che si insegna, ma l’individuazione di un processo comune che permetta al ragazzo di affrontare problemi nuovi, in una parola il  metodo  di  indagine).  Si  osservi  che nell’acquisire una metodologia scientifica si passa necessariamente per l’acquisizione di nozioni;

6) la possibilità di legarsi con il triennio è implicita in quanto detto. Si sviluppa ulteriormente l’indagine scientifica sistematizzando e organizzando e approfondendo le conoscenze;

7) importanza della storicizzazione, intesa come acquisizione di concetti fondamentali che segue un iter analogo a quello seguito dall’uomo per raggiungere il livello di conoscenza attuale.

            Poiché abbiamo sostenuto che «non importa ciò che si insegna… ma il metodo d’indagine», abbiamo ritenuto di doverci porre meglio il problema per rispondere anche alle motivazioni dei ragazzi.

            Cos’è che circonda un ragazzo? Cos’è che fa parte della sua vita quotidiana?

            Uomini, animali, piante, sassi, acqua, liquidi vari, aria. E’ questa osservazione della realtà che interessa i ragazzi e nel senso delle cose che abbiamo detto si è scelto come tema l’indagine sul mondo che ci circonda partendo dall’osservazione del macroscopico per giungere al microscopico (atomo, cellula). Si tratta di due programmi paralleli di biologia e fisica-chimica.

FISICA-CHIMICA: PIANO DI LAVORO PER IL 1° ANNO

(Avvertenze: le esperienze indicate con IPS sono quelle riportate nel testo Zanichelli citato; in linea di massima ogni numero che segue è un blocco di due ore di lezione e quanto si legge è una brevissima traccia del come condurre la lezione).

1) I ragazzi eseguono e motivano, servendosi dei concetti intuitivi che già possiedono, una prima, grossolana, distinzione di un corto numero di oggetti in viventi e non.   

Fatta questa prima distinzione, l’insegnante specifica che l’oggetto del corso sarà quello relativo allo studio dei corpi non viventi. Essi si presentano come solidi, liquidi, gas. Tale lezione deve essere considerata introduttiva. Per arrivare ad una prima distinzione fra “esseri viventi” e non si possono eventualmente presentare ai ragazzi alcuni scatoloni con materiale o un acquario ecc.        

2) E’ un fatto che siamo circondati da solidi,  da liquidi e da gas Il fatto che un qualcosa sia solido, liquido o gassoso, dipende dalla sostanza? è, cioè una caratteristica intrinseca della sostanza? se non lo è, da cosa dipende questa distinzione ?

Una serie di esempi comuni alla nostra vita di tutti i giorni ci fanno intendere che una stessa “cosa” può presentarsi a noi come solida o come liquida o come gassosa a seconda delle condizioni in cui essa si trova.

Nasce così la necessità di individuare le condizioni ambientali Come primo esempio si può pensare all’acqua la quale ci si pres enta solida o liquida o “gassosa” (in prima approssimazione, indichiamo con la parola gas, vapori e gas veri e propri. Per esempio è noto a tutti che in inverno si incontrano pozzanghere ghiacciate laghi ghiacciati, ecc. …; in estate in genere non si trovano pozzanghere ghiacciate, ma solo liquide, mentre all’ora di pranzo quando sta bollendo l’acqua sul fornello, vediamo la stessa sotto forma gassosa).

Chiediamoci ora se le eventualità inverno-estate, ora di pranzo stabiliscano una volta per tutte lo stato dell’acqua.  0sservando bene la risposta (bacinella con acqua, che posta al sole “perde” acqua), in inverno essa ci si presenta sia solida, sia liquida, sia gassosa (pozzanghera che durante la notte ghiaccia, al mattino non è più ghiaccia, durante il giorno “perde” tutta l’acqua).

Si facciano in laboratorio delle osservazioni dirette con acqua ed altre sostanze diverse come etere, alcool, anidride carbonica, ecc,…

3) Oltre alle cose viste nel punto precedente, una stessa sostanza può presentarsi a noi più grande o più piccola in relazione alle condizioni ambientali: si pensi alla dilatazione e contrazione di una stessa sostanza in relazione all’ambiente (rotaie, ponti, fili della luce, ecc. …).                               

Si facciano in laboratorio delle osservazioni relative a contrazioni e dilatazioni di solidi diversi, di liquidi diversi, di gas diversi.                

4) Ci siamo accorti che ci sono delle dilatazioni e delle contrazioni. Abbiamo osservato che, a parità di condizioni ambientali, un oggetto sì dilata o si contrae di più di un altro. quanto? In quanto tempo? Nasce il problema della misura.

Si introduce sperimentalmente la misura di lunghezze e tempi facendo eseguire ai ragazzi più volte la stessa misura “meglio che possono”. I ragazzi procederanno con gli strumenti a loro disposizione (palmi, strisce di carta, scarpe…) alla misura del perimetro della cattedra, della lavagna, del banco (rettangolo) e troveranno dei risultati diversi per la misura dello stesso oggetto (per la misura dello spigolo di un banco si troverà che esso”misura” tre scarpe di Giovanni, tre scarpe di Mario e due dita sempre di Mario, tre strisce di carta di Antonio …, …). 

Se vogliono comunicare questi risultati ad altri nasce la necessità di oggettivare e quindi quella di unità di misura (usare strumenti con sensibilità diverse e, nel caso di lunghezze, molto più “corti” della grandezza da misurare).

Si può iniziare un primo approccio alla teoria degli errori [media  aritmetica, istogrammi,   scarti, cifre significative, sensibilità  dello  strumento  (quest’ultimo fatto ci serve da  indicazione del come tenere conto degli errori nelle misure future), errore assoluto, errore relativo, …].

5) Abbiamo scoperto la proprietà dei corpi di dilatarsi al variare delle condizioni ambientali.

Usiamo di questa proprietà per costruirci uno strumento che ci dia indicazioni sullo stato ambientale (indipendentemente dai nostri sensi).

Si può introdurre un termometro a mercurio non tarato (termoscopio, fornito ad esempio dall’Artigiana termometri di Bologna). Meglio se si introducono più termometri, anche essi non tarati, con liquidi diversi (paraflù, glicerina. ecc. ).

Si esegue sperimentalmente la taratura dei termometro o dei termometri facendo confronti, sì deve disporre di ghiaccio a temperatura inferiore a – 8° C in modo che nel grafico di taratura sia visibile il pianerottolo (in corrispondenza dello zero centigrado). Si immerge il termometro in questo ghiaccio e si scalda lentamente. Il livello del mercurio resta invariato quando compare acqua e ghiaccio e finché si rimane in queste condizioni. Continuando a scaldare, il ghiaccio  si scioglie completamente (cambiamento di stato) e il mercurio riprende a salire finché si giunge all’ebollizione dell’acqua (cambiamento di stato). In queste condizioni il livello del mercurio rimane costante. Possiamo intendere la situazione di ghiaccio fondente come punto fisso di riferimento (T = cost; T = 0; convenzione). Altrettanto per quanto riguarda l’acqua in ebollizione (T = cost; T = 100; convenzione).

Temperatura centigrada (si noti che sottintendiamo un’ipotesi di linearità sulla scala del termometro); errore nella divisione del capillare; errore sistematico; errore casuale; sensibilità. (Si osservi che in questa esperie nza interessa soprattutto la scoperta dei “punti fissi”; la taratura è un fatto secondario). 

Scaletta concettuale del punto 5)   

a) i corpi si dilatano (il volume cresce) quando si riscaldano.

b) Dobbiamo misurare di quanto cresce il volume in oggetti in prima approssimazione cilindrici.

c) Se il volume V è “regolare” (Sezione  = cost) allora V è proporzionale alla lunghezza h (se il diametro d del cilindro è molto minore di h).

d) In definitiva misuriamo lunghezze del liquido del termoscopio.

e) Abbiamo bisogno di punti di riferimento.

f) Prendiamo acqua ed un volume “regolare” di liquido che si dilata.

g) Studiamo il comportamento del volume al variare dello stato (solido, liquido, vapore) dell’acqua. Osserviamo che h del termoscopio, quando si riscalda l’acqua, prima cresce, quindi si stabilizza per un poco, poi continua a crescere fino a stabilizzarsi di nuovo. Soffermiamo la nostra attenzione su questi punti in corrispondenza dei quali h si “ferma”. Poiché sono facilmente individuabili, possiamo segnarli con un pennarello sul termoscopio.

h) L’esistenza di questi punti, dipende dall’acqua o dal liquido che si dilata ? Si faccia la prova con due termoscopi a liquidi diversi, ad esempio, alcool e mercurio.

i) In definitiva si può rispondere alle problematiche del punto 5) affermando che esiste almeno un fenomeno fisico che ci fornisce dei punti di riferimento indipendentemente dallo strumento che lo rivela.

l) Dati i due punti fissi che abbiamo trovato, costruiamoci una scala: prima dando dei valori convenzionali a quei punti fissi (0 e 100), quindi facendo l’ipotesi che h sia direttamente proporzionale alla variazione di temperatura secondo una costante k (che, per ora, non dipende dalla temperatura.

m) A questo punto si possono introdurre i termometri commerciali tarati.

6)  EsperienzaAltri corpi si comportano come l’acqua? Hanno cioè quei punti “fissi”?

Eseguire esperienze per es. con paradiclorobenzolo, naftalina (IPS 3-11, pag. 44)alcool etilico. Quindi abbiamo accertato che varie sostanze hanno punti fissi (ma a diverse temperature).                                 

7) Abbiamo osservato contrazioni, dilatazioni e cambiamenti di stato.  Implicitamente abbiamo ammesso che la temperatura è responsabile di questi fenomeni. Vediamo se c’è qualcosa d’altro responsabile di queste contrazioni e dilatazioni.

Esperienza. 

a) Un gas ottenuto con una pastiglia di Alka Seltzer ( come in IPS 2-12, pag. 17) viene immesso in una grande siringa (da ora siringone) e ne sposta lo stantuffo (conviene inclinare leggermente il siringone per compensare l’attrito e ungere lo stantuffo con olio di vaselina per la tenuta).

b) Si chiude il gas nel siringone mettendo un tappo laddove, normalmente, va l’ago.

c) Si preme lo stantuffo osservando e misurando la massima variazione di volume del gas (attenzione a non premere troppo per evitare la rottura del siringone)

d) si misura la variazione di volume disponendo il siringone verticalmente e collocando sullo stantuffo pesi diversi (si incolli sul siringone una striscia di carta millimetrata); tabelle, grafici altezza-peso,  interpretazioni.  

e) Si ripeta l’esperienza ispirando aria ordinaria nel siringone.

f) Non è solo la temperatura che è responsabile del fenomeno di dilatazione e contrazione.

[Questa esperienza permette un’uscita laterale che discuta di forze ed elasticità].

9) OSSERVAZIONE DIRETTA

La variazione di volume è quindi una caratteristica che può distinguere i vari stati?

Che cosa ha fatto variare il volume dei gas?

I pesi (che ci permettono di sfruttare l’idea di forza che i ragazzi hanno intuitivamente) successivi che abbiamo usato.

Verifichiamo che si tratta realmente di “forze”.

 Un mattone disposto secondo le tre dimensioni su un mucchio di sostanza polverosa (ad esempio: farina, gesso, …). Affondamenti diversi per lo stesso peso. Perché? E’ la superficie che entra in gioco. Quindi il peso e la superficie su cui questo agisce non sono indipendenti; pressione (pneumatici, flobert, …)

10) Esperienza. Reinterpretiamo la parte d) dell’esperienza del punto 7), in termini di pressione misurando la sezione del siringone (serve un siringone che abbia piccola sezione; vi è anche l’opportunità di discutere la propagazione dell’errore su aree, …); legge di Boyle: pV = K. Per la legge di Boyle si faccia il grafico V,P che si presenterà come mostrato di seguito:

Si introduce il concetto di pressione atmosferica, per es. con l’esperimento di Torricelli. Quindi si riprende la relazione P V = K con P = somma della pressione dovuta ai pesi + pressione atmosferica + peso stantuffo, con la costruzione del grafico.




(Strumenti di misura della pressione: barometro e manometro). Quindi il volume di un gas dipende oltre che dalla temperatura anche dalla pressione . 


11) Esperienza. La pressione influenzerà i “punti fissi” del punto 6) ?

Campana pneumatica come variatrice di pressione  (con manometro).

Ebollizione di acqua sotto vuoto; eventuale esperienza di Torricelli sotto vuoto.

La temperatura è quindi legata alla pressione e al volume, per cui anche pressione e volume contribuiscono a differenziare gli stati. 

12) [Questo punto 12) è facoltativo è può essere una utile uscita laterale].          

Abbiamo a disposizione la legge di Boyle (PV = K).

Questa legge 1’abbiamo ricavata nell’ipotesi implicita di costanza della temperatura. Eseguiamo allora l’esprienza dell’Alka Seltzer in diversi bagno-maria a temperature t’, t”, t”’,  differenti.

(Prima di fare le letture delle diverse temperature occorre attendere sei o sette minuti, tempo necessario affinché si raggiunga l’equilibrio termico fra l’acqua del bagno ed il gas del siringone).

Nel primo caso troveremo un certo valore di K, che chiameremo K’, nel secondo caso troveremo un K” e nel terzo caso un K”’. Facciamo il grafico di questi ed altri valori di temperatura t e di questi ed altri valori di K.

Si tenga conto che, nell’ipotesi di temperatura centigrada, implicitamente ammessa, troveremo un  grafico del tipo:

  che corrisponde ad una legge PV = C °t + α.

Si può procedere all’estrapolazione della retta ottenuta  

e quindi traslando gli assi trovare

che corrisponde all’introduzione della temperatura assoluta (naturalmente in questa esperienza lo zero assoluto non corrisponde al valore che si trova con esperienze più raffinate) e alla legge PV = C T (la scoperta del valore di C è un problema che per ora non ci poniamo perché ciò che interessa è il legame fra P,V,T)

13) Esperienza. Esiste allora qualcosa che può caratterizzare un oggetto e che resti invariante al variare delle condizioni ambientali ?

Non è la temperatura.  

Non è la pressione o il volume perché abbiamo visto che queste grandezze dipendono dalla temperatura. Vediamo se, fissando due parametri (ad esempio temperatura e pressione), il volume può caratterizzare un corpo.

Proviamo a vedere l’invarianza della massa (IPS pagg. 6, 19)

Bilancia; suo uso; pallini e grammi (IPS); necessità di oggettivare la misura.                         

Conservazione della massa : beker con ghiaccio; alka seltzer ; liquido + liquido = solido (ioduro di sodio + nitrato di piombo); esperienza di Lavoisier; acqua e sale.

NOTA.  Data l’importanza che l’argomento riveste  nell’economia del corso, l’analisi, perché sia significativa, deve essere fatta su un numero elevato di dati sperimentali; nell’eventualità che i gruppi di lavoro siano pochi, si consiglia di far ripetere ad ogni gruppo più volte la stessa esperienza.

14) Osservazione diretta + esperienza. Osserviamo meglio l’esperienza fatta sulla conservazione della massa. La proprietà generale è la conservazione. Quello che osserviamo è che all’inizio abbiamo un corpo e dopo ne abbiamo eventualmente un altro o più e viceversa. Abbiamo visto che i1 corpo iniziale può essere formato da diverse “sostanze”.

Che cosa è che caratterizza le sostanze ?

Prove organolettiche: insufficienti.                

Necessità di indagare oltre.

Corpi con lo stesso volume possono avere masse diverse (vedi esperienze precedenti). Abbiamo corpi di volume diverso:

Come li confrontiamo ? ci possiamo chiedere se un’unità di volume di una sostanza ha la stessa massa di  una unità di volume dell’altra sostanza. La risposta in generale è no. Cerchiamo di fare delle prove.

Concetto di densità (massa per unità di volume). Misura della densità di un gas e di un solido un gas (IPS) (che dipende da T e P perché V dipende da T e P). 

Allora la densità può servire a distinguere le sostanze. Ma basta? NO. E’ un carattere di ogni sostanza; nulla vieta che esistano due sostanze con uguale densità (destrosio e levulosio oppure glucosio e fruttosio). La densità è quindi un qualcosa che non distingue in assoluto ma aiuta a caratterizzare.    .

15) Esperienza (facoltativo). Riprendendo le esperienze sulla dilatazione è facile introdurre il concetto di coefficiente di dilatazione e il concetto di punto di fusione.       

Si può osservare che il coefficiente di dilatazione distingue ulteriormente le sostanze, ma certamente non distingue i gas.

Si può verificare che alla stessa temperatura due gas si dilatano ugualmente nel siringone.                                        

16) Esperienza. Continuando nell’indagine, ricordando l’esperienza di soluzione di sale in acqua, notiamo che il sale è solubile in acqua. Tutte le sostanze saranno solubili ? in acqua no.

Si provi anche a scaldare.

Esisteranno liquidi capaci di sciogliere sostanze che non sono solubili in acqua? Si (catrame in petrolio e non in acqua, olio in benzina e non in acqua….)

A questo proposito si possono fare diverse altre esperienze prese dal capitolo relativo alla solubilità dell’IPS (Capitolo 4).

 17) Esperienza. Conosciamo ora alcune caratteristiche delle sostanze.

  Ci proponiamo di vedere, dato un miscuglio o qualcosa d’altro di esse sostanze, se è possibile separarle: vari possono essere i metodi

 a) setaccio

  b) calamità (Ferro  + zolfo)         

  e) centrifugazione (polveri, segature e ferro, plastica e ferro latte, ecc)

  d) filtrazione

  c) distillazione frazionata ( petrolio, legno, vino, aranciata, sigarette, ecc) (IPS)

  f) cristalizzazione con precipitazioni successive (IPS)

  g) cromatografia su carta (aranciata, inchiostro, …).   

NOTA: Per una migliore utilizzazione del tempo a disposizione  si suggerisce di trattare contemporaneamente i due argomenti sviluppando un esperimento in modo approfondito per permettere allo studente una esperienza diretta completa di separazione (si consiglia la distillazione frazionata – è d’interesse sostituire al legno che consiglia l’IPS, le sigarette oppure la cristalizzazione)

18) Esperienza. Trovati, quindi, alcuni metodi per separare le sostanze siamo in grado di riconoscere quali sostanze costituiscono un determinato corpo.                    

In particolare la cromatografia ci permette qualitativamente di riconoscere se le sostanze ottenute sono ulteriormente separabili. Un’esperienza possibile, molto semplice, è 1a separazione dell’acqua dall’inchiostro per distillazione e la successiva cromatografia delle sostanze ottenute.                       .

19) Esperienza.  Prendiamo ora dell’acqua. Con i metodi che abbiamo finora utilizzato non è possibile separarla ulteriormente ma se la poniamo acidulata in un voltametro rudimentale, osserviamo sperimentalmente l’elettrolisi dell’acqua. Otterremo due gas (che si potranno riconoscere diversi, con opportuni metodi : idrogeno e ossigeno).  

Mescolandoli osserveremo che non abbiamo acqua.

Proviamo ora a vedere se è possibile separare ulteriormente idrogeno e ossigeno.

Pensando di applicare i metodi dati finora e gli strumenti che abbiamo a disposizione, ci accorgiamo che ciò non è possibile.

Distinguiamo allora tra sostanze che con i metodi visti si possono separare e quelle che non si possono ulteriormente separare. Si possono cominciare a dare i concetti di composto e di elemento.         

NOTA. Si riterrebbe opportuno a questo punto un inquadramento storico della scoperta degli elementi.

20) L’esperienza dell’elettrolisi dell’acqua permette anche di notare che le masse predette di idrogeno e ossigeno sono in un rapporto fisso. Si può ottenere acqua da idrogeno e ossigeno?

Se è possibile è necessario combinarli nello stesso rapporto ?

Dopo avere osservato qualitativamente in condizioni particolari la risposta, alla prima domanda, è positiva ( innesco della reaz ione in una provetta con la fiamma) si passa alla descrizione della sintesi dell’acqua (IPS 6-3).

E’ questa (della proporzione costante) una proprietà solo dell’acqua o anche degli altri composti ?   

Sintesi dello zinco ZnCl2  ( IPS 6-4).            

Legge delle proporzioni costanti.

Per una ulteriore conferma della legge delle proporzioni costanti si potrebbe eseguire un’esperienza di sintesi ferro zolfo, fornendo ai vari gruppi la stessa quantità di ferro-zolfo, ben mescolato e pestato nel mortaio e posto su dei fogli di alluminio, ma con un diverso rapporto delle due masse di cui uno almeno stechiometrico.

Eseguendo il riscaldamento (basta un ferro rovente per innescare la reazione) in ambiente aperto (o dentro una cappa) il fatto che la massa del composto ottenuto non coincida sempre con la somma delle masse che si hanno in partenza, potrà da un lato permettere di richiamare l’argomento della conservazione della massa e dall’altro fornire una conferma della legge di Proust. 

21) Abbiamo imparato che i composti e gli elementi hanno delle proprietà caratteristiche e che queste si mantengono anche ad un grado di suddivisione molto spinto. D’altra parte  dalla l egge delle proporzioni costanti, rileviamo che la combinabili tà è possibile rispettando il rapporto delle masse anche se queste sono estremamente piccole

Come è fatta allora la materia? Una ipotesi plausibile in base a ciò che è stato osservato è quella della struttura granulare. Modello atomico.

22) Il nostro modello prevede una struttura granulare  I granuli dovranno essere molto piccoli, ma quanto piccoli ?

Esperienza sulle dimensioni delle molecole di acido oleico (IPS 9-3).

23) Verifichiamo allora la validità del modello   

Esperienze di controllo del modello (IPS Cap. 8).

Il modello suggerisce che la combinazione fra due elementi possa avvenire non in un solo rapporto costante di masse (esperienze IPS Cap. 8).

Verifichiamo che l’ipotesi scaturita da1 mode11o è riscontrabile anche nella realtà.

Esperienza sui vari composti del rame (IPS Cap. 8).

Legge delle proporzioni multiple.

Di seguito riporto il diagramma di flusso del programma di Fisica-Chimica per il 1° anno appena descritto.

 BIOLOGIA: PIANO DI LAVORO PER IL 1° ANNO                               

[questa parte dovrà essere sviluppata in parallelo a quella di fisica chimica. Si noterà che si mantiene lo stesso metodo di indagine. Ci si ricollega a quella prima lezione in cui gli studenti dovevano per le loro conoscenze suddividere una serie di oggetti in viventi e non. Ora nasce il problema di capire se quella suddivisione è biologicamente certa].

Formulazione di alcune ipotesi che possono essere utili per l’indagine suggerita.

A.     E’ UN ESSERE VIVENTE ?

     1. MOVIMENTO :         

Questa proprietà è tipica dei viventi, giacché ogni essere vivente si muove. Però anche corpi non animati si muovono: ad es. l’acqua di un ruscello, l’aria, la sabbia, ecc. Eventualmente si può anche osservare il moto di una goccia di cloroformio che emette pseudopodi al pari di un’ameba.

Dopo ampia discussione si giunge alla conclusione che il moto non è di per sé caratterizzante i viventi.

     2. SENSIBILITÀ                                        

Questa sembra una proprietà tipica dei viventi. Ma ad una indagine più sottile appare chiaro che anche la materia non vivente risponde agli stimoli. Ad esempio una pellicola fotografica è sensibile alla luce e i fotorecettori e le cellule fotoelettriche rispondono allo stesso modo agli impulsi luminosi. Lo stesso vale per i recettori sonori, termici, ecc;    

Inoltre uno stimolo si propaga sia in un essere vivente che in uno non vivente (ad esempio una corda, ecc…).      

Dopo ampia discussione si giunge alla conclusione che anche la sensibilità non è un fattore discriminante.

    3. ACCRESCIMENTO                  

Va fatto osservare che non solo gli esseri viventi si accrescono, ma anche i cristalli, le stalattiti, ecc. si possono fare molteplici esperimenti sulla coltivazione dei cristalli (albero di saturno, ecc.).

Dunque, anche l’accrescimento non è un fattore discriminante.

    4. NUTRIZIONE        

Un ragazzo può dire che un cristallo che si accresce si nutre della soluzione in cui è posto, come un vivente si nutre di cibo. Si possono fare crescere contemporaneamente semi e cristalli, facendo osservare che nella cristallizzazione c’è solo un’organizzazione della materia che però resta immutata, mentre nella nutrizione di un essere vivente la materia viene intimamente trasformata (si può introdurre a questo punto il concetto di reversibilità e irreversibilità), giungendo alla conclusione che forse la nutrizione è una proprietà che può distinguere un vivente da un non vivente.

    5. RIPRODUZIONE 

Anche se è vero che da un germe di cristallo nasce un cristallo, è pur anche vero che da una soluzione senza cristalli possono formarsi dei cristalli; mentre se non si parte da un essere vivente non si avrà mai un altro essere vivente. Infatti, per quanto riguarda i viventi, allo stato attuale delle conoscenze e nelle attuali condizioni ambientali, non esiste alcuna prova che da materia ritenuta non vivente si possa generare un vivente

B. ANIMALE O VEGETALE?

In molti casi può essere facile distinguere ciò che comunemente si intende per animale e per vegetale (un pino da un gatto). Tuttavia bisogna vedere se è sempre possibile valersi del senso comune per operare correttamente questa distinzione (per esempio: coralli, anemoni di mare, gigli di mare, spugne, uova di seppie, ecc.). Si rende necessaria quindi un’indagine equivalente alla precedente.

    1.  MOVIMENTO

Una delle prime osservazioni che in genere i ragazzi possono fare è che un vegetale non si muove, mentre un animale è dotato di mobilità. Tuttavia se si osserva meglio, anche un vegetale è dotato di mobilità, gli esempi possono essere innumerevoli: tutti i tropismi sono movimenti, inoltre esistono animali aderenti ad un sostegno e come tali “fissi”. Il movimento, quindi, non sembra essere un fattore discriminante.

    2. FORMA                                       

Un’altra osservazione che i ragazzi possono fare è quella che le piante hanno radici, rami, eccetera; ma se si osserva meglio molti vegetali non hanno né radici, né rami; inoltre ci possono essere animali con aspetto arborescente o mimetico del regno vegetale (coralli, madrepore, gorgonie, insetto foglia, insetto stecco, ecc.).

Quindi neanche il criterio morfologico sembra essere un criterio valido.                                             

    3. SENSIBILITÀ                                

Gli animali sembrano dotati di sensibilità, mentre i vegetali no. Facilmente si può mostrare, con tutta una serie di esperimenti,che i vegetali sono dotati di sensibilità come gli animali (esperimenti sulla ricerca della luce, del calore, dell’umidità, come condizioni più opportune alla loro esistenza sia da parte dei vegetali, sia  da  parte degli  animali). Se  possibile, ricorrere  anche  ad  esperimenti sulla mimosa pudica.

La sensibilità quindi non sembra essere un criterio sufficiente.

    4. NUTRIZIONE                   

Si può fare un’osservazione interessante sul modo di nutrirsi dei vegetali e degli animali, notando che mentre una pianta vive e si accresce in un ambiente costituito di acqua, sali minerali, aria e in presenza di luce, un animale, nelle stesse condizioni ambientali, prima o poi, dà segni di sofferenza. Si può arrivare alla conclusione che i vegetali si nutrono in modo diverso dagli animali, quindi il criterio della modalità di nutrizione può essere un criterio valido per operare una distinzione a questo livello di indagine.  

C. INTRODUZIONE DEL MICROSCOPIO 

In questo momento è opportuno introdurre il microscopio nome strumento che permette di effettuare un’indagine più raffinata. Ci dobbiamo chiedere: ci sono esseri viventi  che non riusciamo a scorgere con i soli nostri sensi?  Si scopre, così, che esistono essere viventi microscopici (si possono fare tutta una serie di osservazioni al microscopio di estratti di acque, terreni, ecc.)

Possiamo distinguere gli esseri microscopici in animali e vegetali? Per rispondere a questo interrogativo si opera nel modo sopra indicato. In certi casi si possono  chiaramente individuare esseri come animali, in altri come vegetali (alghe unicellulari, ecc).

In certi casi la distinzione non è più possibile: esperimenti con colture  di euglena o altri fitoflagellati che possono vivere sia come autotrofi, sia come eterotrofi.

Anche i funghi rappresentano “punti singolari”. L’alunno si rende così conto delle limitazioni delle sue ipotesi.

 D. ALLA SCOPERTA DELLA CELLULA

C’è forse un denominatore comune a tutti gli esseri viventi? Cerchiamo di scoprirlo, se esiste,

Un interessante esperimento potrebbe essere quello di allevare un fungo terrestre in ambiente acquatico: in genere perde tutte le sue caratteristiche e diventa “irriconoscibile”. Perché? Perché ha dovuto affrontare in modo diverso il problema del sostegno: da una parte  l’acqua lo sostiene, dall’altra deve sostenersi. Si arriva, così al concetto della divisione del lavoro, di forma e funzione, e si fa capire che l’economia di un individuo è facilitata, se si dividono le funzioni. Si arriva al concetto di apparato.

Le funzioni vengono svolte sia negli animali che nei vegetali da  appositi apparati (sostegno, circolatorio, respiratorio, ecc.)

Questi risultano formati da vari organi. Esaminiamo col microscopio organi diversi e non tarderemo a scoprire che tutti sono formati da singole entità che chiameremo cellule. Si arriva, cosi alla teoria cellulare degli esseri viventi.

Un diagramma a blocchi di tale programma è mostrato nella figura seguente:

[Da questo punto la linea, a mio giudizio eccellente, di Gabbanino non riesce a vincere. Nel seminario del giugno 1974 a Bologna, Gabbanino è assente e il gruppo dei biologi e chimici si riunisce per buttare a mare quasi tutto ciò che era stato fatto in biologia l’anno precedente. Noi fisici con i matematici, non siamo stati d’accordo con questa operazione ma non avevamo strumenti per portare avanti la nostra tesi, oltre al fatto che così si tradiva lo spirito informatore del Gruppo del Glicine, si tradiva cioè l’interdisciplinarietà nel metodo di lavoro. Il documento presentato ad inizio lavori sosteneva:

“… lo svolgimento del piano B “originale” ha creato alcune perplessità agli insegnanti che si erano proposti di realizzarlo. Tali perplessità vertono sulla necessità o meno di insistere nell’inda gine dei criteri che distinguono i viventi dai non viventi ed è emerso unanimemente il parere che questa indagine deve tendere esclusivamente ad orientare gli alunni sulle possibilità e i limiti della ricerca scientifica, ma non costituire il problema essenziale del corso. D’altra parte pare giusto non trascurare la “classificazione” come strumento che consenta di acquisire una rappresentazione ordinata della natura.

   Alla luce di tutte queste considerazioni i biologi si sono riuniti in un unico gruppo e hanno realizzato uno schema di programma ispirato al piano B modificato durante il seminario del marzo ’74 integrato con suggerimenti per le possibili esperienze. Per ogni argomento sono suggerite diverse esperienze tra le quali ogni insegnante potrà scegliere in base alle specifiche condizioni nelle quali lavora”.

Le modifiche tagliano i punti C e D da sostituire con il programma che segue. n.d.r.]

1) Classificazione

Arrivati a questo punto si riprende la domanda: Animale o vegetale ? e si parla ai ragazzi del fatto che si è fatta una classificazione. Occorre introdurre strumenti di indagine più raffinati che permetta, dopo aver distinto gli animali dai vegetali, di procedere ad una ulteriore distinzione all’interno dei due gruppi. La cosa permette anche di riprendere e trattare più approfonditamente quanto discusso precedentemente.

Si può iniziare a classificare alcuni oggetti:

a) Classificazione di cartoline, figure geometriche, solidi geometrici, foglie, frutti. Costruzione di chiavi analitiche.           

b) Classificazione di polveri e di liquidi.                            

c) Classificazione degli animali e dei vegetali. Schema dei “phyla” e delle classi.

Dalla classificazione di oggetti come cartoline ecc. appare evidente che i criteri classificatori possono essere diversi e di conseguenza gli oggetti saranno raggruppati in modo diverso. Nel passaggio dalla classificazione di oggetti a quella di animali e di vegetali apparirà evidente come la scelta dei criteri possa essere determinante per una soddisfacente organizzazione nell’ambito dei gruppi . Pare opportuno, al termine delle esercitazioni, presentare la classificazione più raffinata che le attuali conoscenze a nostra disposizione permettono di realizzare.

Sarà opportuno sottolineare che ogni vivente ha una storia (evoluzione).

2) Introduzione dell’uso della lente, del microscopio “stereoscopico”ed “ottico”.              

  A questo punto del programma si sente la necessità di introdurre l’uso di strumenti pratici che permettano, via via, di ampliare il campo di indagine, passando dal mondo macroscopico a quello microscopico, si suggerisce, in un primo tempo, una serie di esercitazioni sull’uso pratico degli strumenti (osservazione di sabbia, sali, lettere, ecc..) allo scopo di impadronirsi delle prestazioni dello strumento, non trascurando la determinazione delle dimensioni del campo ed eventualmente del potere risolutivo.

3) Osservazioni di culture pure di unicellulari e formulazione di un’ipotesi.                        

Si passerà ora all’osservazione di microorganismi unicellulari quali Paramecio, Vorticella, Euglena, lieviti, Nostoc, ecc.

Queste osservazioni permetteranno di completare la classificazione e di formulare l’ipotesi dell’esistenza di un elemento unificatore dei viventi: la cellula.

4) Verifica dell’ipotesi.

A verifica dell’ipotesi si faranno osservazioni di parti di organismi viventi.

a) epidermide di cipolla

    elodea

    mucosa boccale

    parti del fiore e della foglia

    sezioni sottili di sughero

Si arriverà così alla formulazione del modello cellulare degli organismi viventi.

Di seguito riporto il diagramma di flusso del programma di Biologia per il 1° anno appena descritto.  

Passiamo ora a descrivere come evolvono i piani di lavoro per il 2° anno. La fisica prosegue con lo spirito del 1° anno (separandosi dalla chimica), la chimica-biologia prosegue sulla linea dell’ultimo dei programmi mostrati, quello riassunto dal diagramma di flusso immediatamente precedente.


   NOTE

(1) La scuola nasceva sotto la spinta della Signora Eleonora Moro, moglie di Aldo Moro e Presidente dell’Opera Nazionale Montessori. Molto in breve, i ragazzi che uscivano dalle medie Montessori erano sbandati in corsi normali e la Signora Moro riuscì (e come no?) a farsi aprire uno sbocco sperimentale. La prima sede fu trovata in alcuni locali di un’altra scuola che si trovava in Via Livenza. Poi la scuola crebbe e ci siamo dovuti trasferire a Via Panzini. La gestione era di una collega di lettere che sapeva ben organizzare un gruppo di insegnanti, quasi tutti giovani e scelti (potenza di Moro) al di fuori di ogni graduatoria per meriti legati alla ricerca didattica negli Istituti universitari di Roma. A Via Panzini (Montesacro) la scuola iniziò a sfuggire di mano alla Signora Moro e divenne una scuola avanzatissima innanzitutto in termini di gestione democratica e quindi in termini di materie e programmi di studio. La signora Moro non gradiva e fece una serie di operazioni che dovevano farci morire. La prima fu il licenziamento dell’ottima nostra coordinatrice, Anna Maria Perrone Pecchia (una collega di lettere); e la seconda fu il far dichiarare non agibile l’edificio di Via Panzini. Tutte le componenti della scuola non si scoraggiarono: ci si mise materialmente (girando con motorini ed auto) alla ricerca di un luogo dove continuare la nostra scuola. Individuammo un vecchio edificio che era stato sede prima di un manicomio e quindi di un ospizio per anziani. Era in mezzo ai campi, abbandonato e diroccato. Mancavano infissi, bagni, luce, acqua. Con il lavoro cooperativo di tutti lo rimettemmo su e iniziammo a lavorare lì. Durò qualche anno, finché Malfatti, l’allora ministro della Pubblica Istruzione decretò la definitiva chiusura di questa sperimentazione. Purtroppo il ministero non ha mai pubblicato le migliaia di pagine di relazioni sul nostro lavoro e raccontare quella scuola è per me impresa impossibile. Più avanti tenterò di fare un quadro della situazione per i settori che conoscevo ed anche per i sistemi di gestione che avevamo realizzato.

(2) Nella Tomasini Grimellini – L’insegnamento coordinato della fisica e delle scienze nel biennio liceale – La Fisica nella Scuola, Anno VII, n°1, gennaio-marzo 1974.

 FISICA: PIANO DI LAVORO PER IL 2° ANNO



Si riprende in mano quanto si era visto nel 1° anno e, particolarmente, la parte relativa alla taratura del termometro nella quale una fiamma cedeva calore ad acqua o altre sostanze.

1) Per riscaldare un corpo è sempre necessario avere a disposizione una sorgente che ceda il calore che possiede? O forse può essere riscaldato con altri mezzi?

Osservazioni: “L’esperienza quotidiana ci mostra che processi quali ad esempio lo sfregamento di corpi, può produrre del calore. Si tratta di precisare possibilmente da un punto di vista qualitativo le modalità del fenomeno.
Osservando che nella produzione di calore che si genera sfregardo interviene in modo essenziale il movimento, ci sembra opportuno iniziare con l’analisi ai sistemi fisici in cui intervengono sfregamento e movimento.”

Esperimento h.

“Si proceda ad un esperimento qualitativo usando un cilindretto di alluminio di massa circa sui 20 o 25 g il cui calore specifico è noto, sulla base del quale sia praticato un foro atto a contenere il bulbo di un termometro sensibile a 0,1°C; si blocchi il cilindretto in una morsa fra ganasce di legno o altro materiale cattivo conduttore di calore in modo che ricoprano il cilindretto lasciandone libera una sola parte che sporge dalla morsa di circa 1 cm.

Avvolgere sulla parte sporgente del cilindro una treccia o uno spago per un numero opportuno di giri in modo che, appesa una massa nota m (es. 5Kg.) ad una estremità ed un contrappeso dall’altra, si faccia cadere la massa m in modo che essa si muova di moto accelerato e arrivi al suolo con velocità finale di circa 2-3 m/sec (mentre m scende, le spire avvolte sul cilindretto lo sfregano).
In queste condizioni si osserverà che la temperatura del cilindretto è aumentata. Lo sfregamento del filo sul cilindretto ha prodotto calore.

2) Osservazioni: Nell’esperimento precedente compaiono sfregamento, produzione di calore, caduta di masse e velocità delle masse stesse; per studiare meglio il fenomeno pensiamo ad un esperimento che evidenzi in particolare la relazione che intercorre tra due di queste quantità. E’ conveniente cominciare a considerare un esperimento in cui intervengono cadute di massa e velocità delle stesse.

Esperimento ℓ.

“Si realizzi una esperienza di caduta libera di una massa da una opportuna altezza e si trovi la relazione tra velocità istantanee rilevate e le relative quote (per la misura delle
velocità istantanee serve bene un marcatempo a nastro del tipo utilizzato nel P.S.S.C.)
L’analisi dei risultati fornisce una proporzionalità diretta tra v2 ed h.

Esperimento m.

Si ripeta l’esperienza 1 lasciando cadere la massa dalla stessa quota ma lungo un piano inclinato. Anche in questo caso si studi la relazione esistente tra velocità istantanea e quota. Si confrontino i risultati con quelli dell’esperienza precedente.
Apparirà chiaro che la relazione tra v2 e quota è indipendente dal cammino percorso.

Esperimento n.

Si prenda un tubo di plastica rigida trasparente, lungo da 1 a 3 m. piegato a V con un’apertura di circa 120°. 

Si infili nel tubo una pallina di acciaio del diametro di circa metà di quello del tubo. Mediante una calamità si trasporti e si fissi la pallina a una certa altezza. Liberata la pallina si vada a vedere a che quota arriva dall’altra parte. Si trova che la quota raggiunta è praticamente la stessa.
Nell’esperimento m avevamo trovato che alla perdita di quota corrispondeva l’acquisto di una ben determinata velocità, questa esperienza ci fa vedere viceversa che a una perdita di velocità corrisponde il raggiungimento di una ben determinata quota, più precisamente si nota che la velocità raggiunta da un corpo cadendo da una certa quota è quella in grado di portare il corpo alla stessa quota dall’altro lato.

Esperimento p. 

Facendo riferimento all’osservazione del punto 2), riprendiamo l’esperimento h e togliendo il contrappeso misuriamo le velocità col marcatempo. Non appare ora nessun aumento di temperatura e le velocità istantanee risultano le stesse degli esperimenti 1 ed m a parità di quota.

Esperimento q.

Ripetiamo l’esperimento h del punto 1) misurando la velocità istantanea finale, l’altezza da cui è caduta la massa, e il calore sviluppato e si riportino in tabella le misure.
Si ripeta lo stesso esperimento con contrappesi diversi fino a raggiungere cadute della massa con velocità di regime costanti e si riportino i risultati nella stessa tabella, l’analisi dei dati porta a riconoscere immediatamente che al diminuire di v2 finale corrisponde il crescere di Q e in particolare che il massimo valore di Q si ottiene quando si realizzano le
cadute di massa con velocità di regime costante molto piccola.
Ripetiamo l’esperimento variando sensibilmente la massa in caduta; confrontando i dati attuali delle grandezze che compaiono nella tabella precedente rileviamo che i calori massimi ottenuti sono maggiori tanto più è grande la massa: precisamente troviamo che Qmax  è proporzionale ad m.
Manteniamo ora costante la massa, ripetiamo le prove facendo variare l’altezza di caduta, si scopre che i calori massimi maggiori si hanno in corrispondenza di altezze maggiori, precisamente si trova che Qmax è proporzionale ad h.
Segue allora che Qmax è proporzionale ad mh.
Come conseguenza dell’esperimento m risulta subito che mv2 è proporzionale ad mh.
Dall’analisi delle esperienze immediatamente precedenti si nota inoltre che quando la massa cade dalla stessa altezza le quantità di Q sviluppate nel cilindretto sono tanto minori quanto più grande è la velocità (se i risultati sperimentali lo permettono conviene riportare in un diagramma Q e ½.mv2 per constatare la dipendenza lineare tra le due grandezze). Sembra ragionevole allora pensare che, una massa dotata di velocità v sia pure essa in grado di fornire al cilindretto la quantità di calore Q, corrispondente a quello che svilupperebbe la stessa massa cadendo da un’altezza h che la massa potrebbe raggiungere in quanto dotata di una velocità v. (Fare notare che questi processi avvengono sempre solo in un senso: si scaldi per esempio il cilindretto con una fiamma fino al raggiungimento della stessa temperatura che esso aveva raggiunto per effetto della caduta della massa frenata, si avvolga il filo a1 cilindretto e si lasci la massa per terra, non si vede la massa salire).

3) Riorganizzazione dei risultati ottenuti dal punto di vista numerico e delle unità di misura.

La massa come sappiamo, si misura in Kg.; la velocità la possiamo misurare in m/sec, quindi il termine mv2 risulta espresso in:

Kg. m2/sec2

E’ uso comune chiamare questa unità di misura Joule.

Inoltre mh risulta espressa in Kg.m dagli esperimenti m ed 1 risultando

v proporzionale ad  h quindi

mv2  proporzionale ad mh e quindi anche

½.mv2 proporzionale ad mh

la quantità che comunemente si incontra non è mv2 ma ½.mv2.

Passando dalla relazione di proporzionalità all’uguaglianza risulta

½.mv2 = kmh

k allora è

k = mv2/ 2mh = v2/2h

quantità quest’ultima che viene indicata con lettera g, il cui valore più corretto può essere ottenuto con esperienza più raffinate. g è una costante avente dimensioni m/sec2. In conclusione ½.mv2 e mgh si misurano entrambi in joule.
L’unità di misura del calore abbiamo visto essere la caloria. Se calcoliamo il prodotto mgh (espresso in joule) e lo confrontiamo con il calore massimo prodotto, non solo ci accorgiamo che le unità di misura sono diverse ma anche che i valori numerici differiscono.
Poiché abbiamo trovato

Q proporzionale ad mgh

per passare da una relazione di proporzionalità ad un’eguaglianza basta introdurre una costante di proporzionalità k’. Risulta allora

Q = k’mgh 

Comunemente la costante k’ viene indicata con J. Il suo valore si può ottenere sostituendo i dati trovati negli esperimenti precedenti, aggiungendo poi che con esperimenti più raffinati si ottiene:

J = 4,18 joule/cal

(anche J, come si vede, non è un numero puro ma ha delle dimensioni fisiche).

4) Modello cinetico di un gas

Ricorrendo all’esperienza del modello di gas costituito da sferette contenute in un cilindro con la base mobile collegata ad un agitatore, vedere se è possibile fotografare mediante una macchina fotografica la sferette del cilindretto con apertura di obiettivo tale da ottenere piccole tracce delle singole sferette.
La misura delle lunghezza delle tracce, essendo noto il tempo di esposizione permetterebbe una misura diretta delle velocità.
Facendo varie prove (vedi I.P.S.) per ognuna di esse si può trovare il valore del prodotto pV e la corrispondente media dei quadrati delle velocità delle sferette 

Dovrebbe risultare

Dal confronto di questo risultato con quello trovato l’anno precedente pV = CT risulta ragionevole ammettere che


Cerchiamo di vedere se, fuor di modello meccanico, il legame tra velocità delle molecole e temperatura così previsto possa trovare un riscontro sperimentale.
Si prenda un contenitore a pareti fisse con un termometro inserito in cui ci sia del gas e si pratichi un foro su una parete.
Riscaldando il gas ed aprendo il foro, in base alla nostra ipotesi dovrebbe uscire del gas in modo sempre, più veloce all’aumentare della temperatura. Si disponga un anemometro davanti al foro e si verifichi il fatto.

4 bis) (Alternativa al punto 4)
Analizziamo parallelamente il comportamento di due sistemi fisici di cui uno formato da un siringone contenente un gas e l’altro da delle sferette contenute in un involucro fornito di agitatore.


Ricordiamo che

1. gli studenti sanno che un gas è fatto di molecole
2. che energia cinetica e calore sono due forme di energia.
Cedendo al sistema formato dal siringone una certa quantità di calore (possibilmente misurabile) si vede che il pistone si innalza di un certo tratto h per cui l’energia potenziale del pistone risulta aumentata di mgh dove m è la massa del pistone medesimo. Eseguendo i calcoli troviamo che la quantità di calore ceduto non corrisponde alla variazione di energia potenziale e ciò era prevedibile in quanto dall’equazione

pV = CT


vediamo che ad un aumento del prodotto pV corrisponde un aumento di temperatura. Concludendo, del calore ceduto al sistema, una parte è andata ad aumentare l’energia potenziale del pistone e un’altra parte è stata “trattenuta” dal gas la cui temperatura è aumentata.
Passiamo all’esame dell’altro sistema; supponiamo che il vibratore stia muovendosi ad una certa velocità per cui il pistone si stabilizza ad una certa quota (facciamo in modo che la velocità delle sferette non sia troppo elevata).
Aumentiamo la velocità del vibratore. Il pistone si solleverà.
Possiamo regolare la velocità in modo che il pistone raggiunga un’altezza h tale che m’h’g = mhg del caso precedente.
In questo secondo caso si può allora osservare che:

1. E’ aumentata l’energia potenziale del pistone

2. E’ aumentata la velocità delle sferette all’interno del recipiente.

Allora ci troviamo dinnanzi a questi fatti:


– Calore —> energia potenziale pistone + aumento temperatura
– Energia cinetica, vibratore —> energia potenziale pistone + energia cinetica sferette

Abbiamo quindi due forme di energia al primo membro e al secondo membro la stessa forma di energia (potenziale) + un termine legato alla temperatura nel caso del gas e un termina che è ancora energia cinetica nel caso del modello a sferette.
A questo punto è plausibile, tenendo anche conto del fatto che sappiamo che il gas è formato da molecole, avanzare un’ipotesi di questo tipo: ciò che noi nominiamo macroscopicamente come temperatura non è altro che energia cinetica delle molecole stesse.
Supponiamo allora che la temperatura sia proporzionale all’energia cinetica delle molecole. (Si osserva abbastanza bene che la velocità delle sferette nel modello non è uniforme per cui è più corretto parlare di una velocità media e quindi di una energia cinetica media). 
Poniamo cioè

T proporzionale a mv2

Se l’ipotesi è vera riscaldando il gas le molecole dovrebbero muoversi più velocemente. Questo fatto si può osservare abbastanza agevolmente prendendo una scatola a pareti fisse in cui ci sia del gas ed un foro praticato delle pareti .
Riscaldando il gas e aprendo il foro, il gas dovrebbe uscire dal foro, in base alla nostra ipotesi, più velocemente. Se davanti al foro mettiamo un semplice mulinello potremo osservare che quando la temperatura del gas è stata aumentata il mulinello si muove più velocemente (gli studenti sanno che i venti sono masse d’aria che si spostano ad una certa velocità e che quanto maggiore è la velocità dell’aria tanto più il vento è forte e fa girare più velocemente i mulinelli).

Il diagramma di flusso di questa bozza è riportato nella figura seguente:


BIOLOGIA: PIANO DI LAVORO PER IL 2° ANNO

A) Studio delle principali funzioni degli unicellulari

Scopi di questo primo argomento del programma sono:

– realizzare un collegamento con il programma dell’anno precedente cercando una ulteriore conferma all’ipotesi del modello cellulare come tema unificante di tutti gli esseri viventi

– acquisire quelle conoscenze necessario per riprendere il discorso della classificazione degli esseri viventi in chiave evolutiva presentata l’anno precedente in modo da chiarirla
e completarla.

Si suggeriscono alcune esperienze al microscopio:

a) studio dell’alimentazione del Paramecio con cellule di lievito colorate con rosso Congo;

b) osservazione della permeabilità della membrana cellulare su foglie di Elodea o con velo di cipolla trattate con soluzioni ipotoniche e ipertoniche (confronta B.S.C.S. versione gialla; Biologia – Camilli e Valeri – Paravia; Nuffield Biologia, 0-Level, Penguin Books – Longmans L.T.D. Londra).

Si consiglia di fare precedere a queste esperienze l’esperienza con membrana artificiale (membrana da dialisi) al fine di facilitare l’interpretazione della successiva osservazione microscopica .

e) osservazione del movimento del Paramecio e sue risposte agli stimoli chimici, elettrici e luminosi.

d) coniugazione delle Euglene dopo opportuno tempo al buio.

B) Passaggio dagli organismi unicellulari agli organismi pluricellulari. 

– Partendo dall’esame al microscopio di colonie unicellulari (es. Nostoc) e dall’osservazione di altre colonie in cui le cellule manifestano già una capacità di cooperazione (Volvox) si può giungere a giustificare il passaggio dagli organismi unicellulari ai pluricellulari:

a) trattazione teorica, lettura e discussione (confronta B.S.C.S. versione blu) 

b) osservazione di forme reperibili in diversi ambienti (ipefungine- alghe verdi ecc. )

C) Studio comparativo di alcune funzioni.


La trattazione di questi argomenti si propone di giungere alla formulazione dell’ipotesi che la varietà dei viventi possa essere indotta dall’ambiente, inteso nel suo complesso abiotico e biotico.

– 1) Respirazione

Studio qualitativo e comparato degli scambi gassosi nella respirazione (Bibliografia: Nuffield – Biologia 0-Level – Zanichelli; BSCS Versione blu e gialla, Zanichelli; Camilli e Valeri – Biologia – Paravia)

– 2) Nutrizione 

a) Alimentazione dell’Hydra con Dafnie e con larve di Arthemia salina (confronta B.S.C.S. giallo); 

b) colture idroponiche (Camilli e Valeri)

– 3) Sistemi di trasporto

a) osservazione della circolazione sanguigna capillare nella pinna caudale del pesce, nella Dafnia, nei girini di rana, nella membrana interdigitale delle rane (BSCS, films uniconcettuali)

b) osservazione della risalita dei liquidi colorati lungo gli steli dei fiori recisi (Camilli e Valeri).


– 4) Riproduzione e sviluppo embrionale

a) Poiché per la riproduzione l’osservazione diretta comporta difficoltà a volte non superabili si consiglia di usare diapositive e films super 8 uniconcettuali (edizioni varie)

b) studio sperimentale dello sviluppo embrionale del pulcino (BSCS edizione gialla e blu)

e) osservazione sperimentale dello sviluppo embrionale e metamorfosi della rana

d) osservazione sperimentale dello sviluppo embrionale del riccio di mare (formazione di due blastomeri)

e) osservazione sperimentale sulla germinazione di vari tipi di polline (Nuffield – 0-Level Biologia; BSCS – versione blu)

f) osservazione sperimentale della metamorfosi della Orosophila.

– 5) Forme, dimensioni, movimento e problemi di sostegno in relazione all’ambiente. 

a) utilizzazione di modelli per il movimento e per il sostegno (Nuffield Biology – 0-Level; PSSC cap.4 della I ed. e film Esso Cambiamenti di scala).

b) osservazione del maggior numero di organismi animali e vegetali in relazione a quanto sopra


c) osservazione sperimentale dello sviluppo dell’apparato radicale in diverse condizioni di umidità.


d) relazione tra sviluppo scheletrico, peso e ambiente (Nuffield Biology 0-Level)

e) osservazioni sperimentali di forma e dimensioni di foglie in relazione all’ambiente (Nuffield Biology 0-Level)
Si ritiene opportuno ricordare che lo studio di ogni funzione deve essere condotto in modo da confrontare sistematicamente le strutture che i vari organismi possiedono per la realizzazione delle funzioni stesse.


f) Interazione degli organismi tra loro e con l’ambiente:
– A seconda delle condizioni nelle quali l’insegnante si troverà ad operare saranno scelti ambienti nei quali concentrare uno studio particolareggiato. (Confronta con: H.Curtis – Invito alla Biologia, Volume C, Zanichelli 75).

Il diagramma di flusso del programma indicato sopra è riportato nella figura seguente:

CHIMICA: PIANO DI LAVORO PER IL 2° ANNO

Premessa

La scelta degli argomenti per lo studio della chimica nel 2° armo è stata fatta tenendo conto che i concetti fondamentali per introdurre tale insegnamento sono stati acquisiti dagli alunni durante il corso di fisica del 1° anno.

Scopo del piano di lavoro proposto è quello di portare gli alunni, alla fine del corso, alla conoscenza delle caratteristiche di alcuni degli elementi più comuni e noti, del tipo di composti cui essi possono dare origine e della relativa nomenclatura, mantenendo come filo conduttore l’esigenza di raggiungere un ordinamento (classificazione degli elementi).

Non si ritiene che la trattazione porti all’esaurimento degli argomenti, ma piuttosto sia il presupposto per uno sviluppo successivo delle conoscenze che, basate su nuove acquisizioni, potranno via via essere più approfondite e bagaglio sufficiente e corretto sul piano dell’informazione o sul piano del metodo, per chi alla fine del biennio non proseguirà gli studi.

Pur considerando irrinunciabile l’acquisizione di alcune conoscenze nel campo della chimica organica, soprattutto per quanto concerne la vita quotidiana, non si è ritenuto possibile inserire nel programma di chimica una parto specifica; si propone di considerare l’opportunità di inserire nell’area opzionale dell’eventuale biennio un corso di “nozioni di scienze dell’alimentazione”.



1) COMPORTAMENTO DI ALCUNI ELEMENTI AL RISCALDAMENTO

Scopo delle attività sperimentali relative a questo argomento è quello di mettere in evidenza che il riscaldamento produce dei cambiamenti sugli elementi e che il loro comportamento è diverso (produzione di gas o altre modificazioni) per ampliare le osservazioni precedenti è utile l’introduzione di strumenti di indagine quali gli indicatori, la bilancia, eccetera.

Si suggerisce di usare per tutte le esperienze, anche per quelle che seguono, gli stessi elementi: Mg, Zn, Fe, polvere, Cu, Al, S, C.

2) REAZIONE DI ALCUNI ELEMENTI CON HCl DILUITO.

Scopo di queste esercitazioni è di mettere in evidenza che gli elementi non si comportano alla stessa maniera con HCl. In questo caso l’osservazione diretta sarà sufficiente per indicare il diverso comportamento degli elementi.

3) REAZIONE DI ALCUNI ELEMENTI CON H2SO4.

Scopo ai queste esercitazioni è di mettere in evidenza il diverso comportamento di elementi che nell’esperienza precedente si comportavano allo stesso modo (Cu, Al) . 

4) REAZIONE DI ALCUNI ELEMENTI CON NaOH.

Scopo di questa esercitazione è di mettere in evidenza il diverso comportamento degli elementi già differenziati nel punto 3.
Al termine di questa serie di esercitazioni gli alunni saranno in grado di differenziare gli elementi presi in esame in gruppo.

5) Per tutti i composti ottenuti si farà uso della formula, dell’equazione chimica bilanciata e relativa nomenclatura (si può anche utilizzare la nomenclatura internazionale).
Si suggerisce di completare la parte sperimentale con altre reazioni che permettano di avere un quadro completo della sistematica chimica e, contemporaneamente, di avere giustificazioni di alcuni fenomeni chimici che facilmente si possono osservare
Alcuni esempi potrebbero essere: 

a) MgO + acqua;  CaO + acqua (calce spenta dei muratori)


b) Corrosione di alcuni metalli (Zn, Fe) con acidi diluiti

c) MgO + SO2

d) idrossidi alcalini e alcalino terrosi con CO2

Poiché ogni esercitazione avrà un momento qualificante nella discussione collettiva dei dati ottenuti, l’insegnante potrà accogliere le proposte di lavoro che scaturiranno dalla discussione stessa guidando e incoraggiando ricerche sperimentali di gruppo in modo che gli alunni si possano avvalere delle conoscenze acquisite.

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