Termodinamica
1. I doppi vetri delle finestre sono formati da due lastre di vetro saldate tra loro nella cui intercapedine `e racchiusa dell’aria. Perch´e viene adottato questo sistema per isolare meglio? Non basterebbe un vetro pi`u spesso?
2. Quando si afferra il manico metallico di una padella che sta sul fuoco, per non scottarsi bisogna usare una presina di stoffa. Per quale motivo?
• occorre aumentare la quantit`a di calore che passa dalla padella alla mano • occorre ridurre la quantit`a di calore che passa dalla padella alla mano
Capitolo 5. Test di introduzione e di valutazione delle esperienze didattiche 169
• occorre ridurre la quantit`a di calore che passa dalla mano alla padella
3. Quando un sistema acquista calore, la sua temperatura aumenta sempre?
4. Come vengono disposti i binari ferroviari a causa della dilatazione termica?
5. Perch´e un ventilatore acceso provoca una sensazione di freschezza?
6. Perch´e d’inverno i laghi di montagna gelano in superficie, ma non in profondit`a, permettendo la sopravvivenza dei pesci?
7. Ponendo a contatto due corpi a temperatura diversa, le temperature di entrambi i corpi cambiano finch´e non si raggiunge l’equilibrio termico. Questa affermazione `e vera
• in ogni caso
• solo per i corpi solidi
• solo per i corpi solidi e per i liquidi
• solo se nessuno dei due corpi effettua un passaggio di stato
8. Mentre una sostanza evapora acquista dell’energia perch´e:
• aumenta la temperatura del vapore • aumenta la pressione del vapore
• viene compiuto un lavoro per rompere i legami tra le molecole del liquido • l’energia si disperde nell’ambiente circostante
9. Un bicchiere che contiene dell’acqua viene messo sotto una campana di vetro. Mediante una pompa aspirante si estrae l’aria dalla campana. Che cosa succede all’acqua?
• la pressione aumenta e l’acqua comincia a bollire
• la temperatura aumenta e l’acqua comincia a bollire
• la temperatura diminuisce e l’acqua comincia a gelare
10. Una persona immerge la mano destra in alcool e la sinistra in acqua entrambi alla stessa temperatura, poi espone le mani all’aria per asciugarle. Quali sensazioni prova?
Onde
1. Cosa succede quando si tira un sasso nell’acqua?
2. Cosa succede se due onde si sovrappongono?
3. Un’onda si propaga in un mezzo; che cosa succede alle particelle di cui `e composto il mezzo?
• si muovono con la stessa velocit`a dell’onda
• si muovono seguendo l’onda che lo attraversa
• si muovono attorno alle loro posizioni di equilibrio
• restano immobili
4. Cosa trasporta un’onda che si propaga nello spazio?
Luce
1. Come si pu`o calcolare l’altezza del Sole sull’orizzonte misurando la lunghezza delle ombre?
Capitolo 5. Test di introduzione e di valutazione delle esperienze didattiche 171
3. A proposito di un’onda luminosa che si propaga in un mezzo, quale grandezza tra frequenza, lunghezza d’onda e velocit`a di propagazione non dipende dalla natura del mezzo?
4. Cosa succede alla velocit`a di propagazione della luce (o di un’onda qualsiasi) quan- do la luce passa da un mezzo pi`u denso a uno meno denso?
Onde elettromagnetiche
1. Come funziona un forno a microonde?
2. Usando la legge di Wien
λmax(nm) = 2.9 · 106/T (K)
dove λmax `e la lunghezza d’onda massima e T `e la temperatura, calcola il picco
dell’emissione del Sole, assumendo T = 5777 K come temperatura del Sole. `E la lunghezza d’onda attesa, visto che il Sole appare giallo, colore che si riferisce ad una banda di lunghezze d’onda tra 570 e 590 nm?
Riscaldamento globale
1. Perch´e la vicinanza di una grande massa d’acqua (lago o mare) rende pi`u mite il clima circostante?
2. Cosa sono i venti?
3. Come si formano le perturbazioni atmosferiche?
5. Quale meccanismo fa evaporare gli oceani anche se non sono alla temperatura di ebollizione dell’acqua?
6. Conosci almeno una corrente oceanica? Perch´e le correnti sono importanti?
7. Perch´e Napoli e New York, anche se alla stessa latitudine e entrambe situate sul mare, hanno climi diversi?
8. Cosa sai del riscaldamento globale?
9. Come `e legato il buco dell’ozono al riscaldamento globale?
10. Quando bruciamo legna, carta, plastica, del pollo... immettiamo nell’aria le stesse sostanze? E quando gli esserei umani, gli animali e le piante respirano (il processo di espirazione umano e gli analoghi processi negli animali e nelle piante)?
11. Sotto quale forma le piante immagazzinano energia e da dove la prendono?
12. Conosci animali estinti o a rischio estinzione per il caldo eccessivo? E per il freddo eccessivo?
13. Se si mettesse un termometro sospeso ad un metro dal suolo lunare all’ombra, che temperatura riveleremmo?
14. Indica se le seguenti affermazioni sono vere o false, correggendo quelle false:
• La Terra `e pi`u calda della Luna perch´e sulla Terra c’`e atmosfera mentre sulla Luna no.
• Nella Luna sono presenti crateri da impatto molto evidenti perch´e non ci sono agente atmosferici o corsi d’acqua che possano erodere il suolo lunare. • La Luna `e pi`u calda della Terra perch´e ha un lato sempre esposto al Sole. • Non si possono mettere a confronto le temperature medie della Terra e della
Capitolo 5. Test di introduzione e di valutazione delle esperienze didattiche 173
• La temperatura del suolo lunare oscilla tra i 130oC per la parte esposta al Sole
e i -170oC per la parte all’ombra. La massima temperatura registrata sulla
Terra `e stata di 58oC, mentre la minima `e stata di -93.2oC (16 dicembre 2013 in Antartide).
15. Perch´e, a parit`a di inclinazione rispetto all’orizzonte, un termometro a infrarossi legge una temperatura pi`u alta per un cielo con nubi rispetto a un cielo limpido?
16. A cosa serve il carotaggio del ghiaccio in Groenlandia e in Antartide?
17. Quali sono i livelli di anidride carbonica presenti nell’aria?
18. Quali sostanze sono immesse nell’aria attraverso respirazione, decomposizione, eruzioni vulcaniche e altri fenomeni naturali? Quali invece per azione delle attivit`a umane?
19. `E pi`u elevato l’albedo di Venere, della Terra, di Marte o di Mercurio (pianeti ‘interni’)? Indicane i valori e mettili in ordine crescente.
20. In base all’albedo dei pianeti ‘interni’, alla loro distana dal Sole e alla loro tempe- ratura superficiale media, indica quale ha effetto serra pi`u elevato.
Esperienza in una classe quarta di un
liceo scientifico
In questo capitolo verr`a esposta la presentazione di una parte del percorso didattico propo- sto nella classe Quarta F del Liceo Scientifico “Filippo Buonarroti” di Pisa, composta da 21 alunni (4 ragazze e 17 ragazzi) e seguita in fisica dalla Professoressa Patrizia Fileoni.
Dato che non esistono riferimenti al riscaldamento globale nei programmi ministeriali e ottica, termodinamica e onde elettromagnetiche sono argomenti svolti in anni diversi, non `e stato possibile intervenire nella programmazione annuale, ossia proporre l’utilizzo della proposta didattica discussa nei capitoli precedenti. La professoressa Fileoni ha per- messo un intervento di un’ora per presentare alcune delle esperienze, scegliendo quelle che a lei interessavano come verifica delle nozioni di termodinamica affrontate e come introduzione agli argomenti dell’anno seguente.
Il fatto che fossero esperienze mai viste, su argomenti non studiati e che fossero presenta- te da persone diverse dall’insegnante pu`o aver contribuito al fatto che gli studenti hanno mostrato interesse e curiosit`a.
Descrizione dell’esperienza
Capitolo 6. Esperienza in una classe quarta di un liceo scientifico 175
Il primo giugno 2013 sono stati presentati lo studio dell’effetto combinato di albedo diversi e effetto serra con due bottiglie di vetro poste sotto una lampada, l’osservazione dei raggi infrarossi attraverso le fotocamere dei cellulari degli studenti e dell’uso che si pu`o fare delle celle fotovoltatiche.
L’impostazione dell’ora a disposizione `e stata quella di coinvolgere tutta la classe con domande generali durante lo svolgimento delle esperienze. Quindi non `e stata presentata nessuna scheda da compilare e le domande poste non sono state specifiche, ma generali. Data la minore et`a dei partecipanti non `e stato possibile registrare o filmare l’intervento, per cui i commenti e le domande rilevanti per il nostro studio sono stati annotati durante lo svolgimento dell’esperienza e al termine dell’ora quando gli studenti sono usciti dal- l’aula. Nel seguito saranno riportate letteralmente alcune frasi degli studenti adottando la convenzione di usare le virgolette e il carattere italico.
I materiali usati negli esperimenti, tranne i telefonini degli studenti, sono stati for- niti dall’Universit`a di Pisa, INFN di Pisa e la professoressa Poggiani. La scelta di non utilizzare materiale dell’istituto scolastico si `e basata sul fatto di non allungare i tem- pi nel richiedere i permessi di utilizzo e di essere sicuri del materiale avendolo testato ripetutamente.
All’inizio della presentazione `e stato introdotto il problema dell’effetto serra, chieden- do agli studenti a cosa lo associasserro.
Le prime risposte sono state: “molto caldo” e “buco dell’ozono” ; le risposte sono in linea con quanto riportato dalla letteratura didattica discussa nel paragrafo2.1 del capi- tolo 2. In particolare `e stata approfondita la discussione sull’associazione che era stata fatta tra effetto serra e buco dell’ozono. Alla domanda sulla natura del buco nell’ozono, la spiegazione di una studentessa, accettata anche dai compagni, `e stata: “i gas, l’inqui- namento, bucano l’atmosfera al polo sud e cos`ı i raggi UV molto forti che prima non potevano passare, ora arrivano fino a terra pi`u direttamente. Passano anche le radia- zioni”. `E sembrato opportuno chiedere cosa fossero queste radiazioni: due o tre di loro
hanno risposto che sono onde elettromagnetiche. Prima di chiedere cosa fossero i nomi- nati “raggi UV”, `e stato chiesto, volutamente, la ragione per cui esistano in commercio occhiali da sole e creme solari anti-UV nonostante l’atmosfera schermi gli UV. A ci`o `e stato risposto: “allora UV passano lo stesso!” e “Anche se non siamo sotto il buco dell’o- zono, gli UV arrivano lo stesso!”. Chiedendo agli studenti cosa fossero questi “UV” che continuavano a nominare, hanno risposto che non lo sapevano, che li avevano sentiti no- minare alla televisione e avevano letto qualcosa su Internet, ma non hanno specificato da quali fonti. Da queste risposte `e emerso chiaramente che le onde elettromagnetiche non erano ancora state presentate in classe e che le informazioni in possesso degli studenti non erano corrette.
Lo scopo immediato `e diventato, quindi, quello di fare emergere i misconcetti degli studenti in modo che eliminassero l’associazione dell’effetto serra al buco dell’ozono e la confusione sui diversi tipi di onde elettromagnetiche. Innanzitutto `e stato spiegato che l’effetto serra ed il buco nello strato d’ozono sono due fenomeni distinti, esponendo sommariamente cosa sia il buco nello strato d’ozono. `E stato quindi chiesto agli studenti se alla luce di quanto spiegato essi fossero in grado di spiegare cosa fosse, invece, l’effetto serra. Nei tentativi di spiegazione gli studenti hanno collegato la trasmissione di calore tramite irraggiamento ai raggi infrarossi e questi all’effetto serra. “L’effetto serra blocca i raggi”, “Una serra blocca i raggi termici in uscita”, “ `E l’irraggiamento del Sole che interessa per la spiegazione dell’effetto serra. No! `E l’irraggiamento della Terra”. `E stato quindi chiesto se la Terra irraggerebbe diversamente se fosse ricoperta solo da oceani o solo da continenti o se non c’`e nessuna differenza. Gli studenti hanno risposto che il terreno e il mare irraggiano diversamente perch´e il mare riflette di pi`u. Gli studenti hanno inoltre sottolineato che questo diverso comportamento di terreno e mare potrebbe essere la causa del fatto che i ghiacciai si sciolgono sempre di pi`u, ma senza fornire una spiegazione a tale affermazione.
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spiegazione di cosa fossero “gli UV”, sino all’osservazione dei raggi infrarossi con le fotocamere digitali descritte nel seguito. `E stato proposto l’esperimento con le bottiglie e i cartoncini colorati (paragrafo 3.11 in capitolo 3 e paragrafo 4.9 in capitolo 4). `E stato chiesto l’aiuto di un volontario per assicurarsi che le bottiglie fossero messe alla stessa distanza rispetto alla lampada e per leggere le misure sui multimetri collegati alle termocoppie. Durante lo svolgimento dell’esperienza sono state rivolte altre domande sull’effetto serra e sulle misure in corso.
La Figura6.1mostra l’andamento della temperatura nelle due bottiglie dall’accensio- ne della lampada sino alla temperatura stazionaria del raffreddamento. Le temperature sono state annotate in contemporanea al dialogo con gli studenti.
Figura 6.1: Andamento della temperatura nelle due bottiglie di vetro con cartoncini durante l’esperienza in classe
Gli studenti hanno notato subito che “la luce riesce ad aumentare la temperatura nelle bottiglie!”.
Per presentare il trasporto di energia da parte delle onde elettromagnetiche, `e stata proposta una lampada a led con una cella fotovoltaica. Alcuni studenti hanno subito ri- conosciuto nello strumento una lampada da giardino, anche se ignoravano su cosa si basa il suo funzionamento. Per stimolare un senso di curiosit`a a ci`o che circonda gli studenti nella vita di tutti i giorni, sono state velocemente descritte le analogie tra questo tipo di lampada e le “luci crepuscolari”. `E stato quindi chiesto ad alcuni studenti di prendere in mano la lampada e provare ad accendere la lampadina al suo interno, mettendo una mano sopra la cella, mettendola all’ombra, ecc. L’uso personale della lampada da parte degli studenti, li ha coinvolti pi`u attivamente e li ha stimolati a trovare collegamenti tra il fun- zionamento di questa e l’andamento della temperatura che stavano osservando all’interno delle bottiglie. Per cercare di stimolare questa intuizione, `e stato presentato un altro espe- rimento che all’apparenza non aveva alcun legame con quanto visto finora: l’osservazione delle onde elettromagnetiche nella banda dell’infrarosso emesse da un telecomando con l’ausilio delle fotocamere dei telefonini. Il permesso di usare i telefonini ha coinvolto an- cora di pi`u gli studenti. Questo e la pi`u sicura gestione di uno strumento a loro familiare, sono un punto di forza di questa ‘semplice’ esperienza. La prima reazione degli studenti `e stata di stupore e meraviglia. Alcune fotocamere dei cellulari non permettono la rivelazio- ne di tali onde elettromagnetiche per cui alcuni studenti hanno chiesto da cosa dipendesse questa diversit`a. A causa della necessit`a di nozioni di fisica dello stato solido richieste per la spiegazione del funzionamento, `e stato risposto loro che con le conoscenze fisiche in loro possesso non era possibile dar loro una spiegazione. `E stato chiesto agli studenti di spiegare la natura delle luci che apparivano osservando il telecomando con i telefonini con uno dei pulsanti premuto. Davanti alle facce perplesse degli studenti, che non hanno azzardato nessuna ipotesi, `e stato detto che sono raggi infrarossi ed `e stato chiesto se ne avevano mai sentito parlare e cosa fossero. Nella discussione `e emerso che alcuni studen- ti confondono le microonde con i raggi infrarossi. `E stato, allora, brevemente spiegato agli studenti lo spettro della luce solare, `e stato spiegato che l’arcobaleno che osservano
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appena passato un fronte di pioggia `e una parte dello spettro della radiazione solare, la parte ‘visibile’, che ad ogni colore corrisponde una banda di lunghezze d’onda, che “raggi UV” indica i ultravioletti e che questi hanno una frequenza maggiore di quella associata al colore viola, che i raggi infrarossi hanno questo nome perch´e hanno lunghezze d’onda maggiori del rosso e che le microonde hanno lunghezze d’onda maggiori dell’infrarosso. A questo punto `e stato fatto notare che le telecamere dei telefonini che mostravano i raggi infrarossi (fenomeni invisibili ad occhio nudo) hanno un sistema di rivelazione della luce diverso da quello nel nostro occhio.
Ritornando all’esperienza delle due bottiglie di vetro e chiedendo agli studenti di for- nire una spiegazione di quello che stavano osservando, alcuni di loro hanno sorprenden- temente risposto, trovando il consenso di tutti gli altri, che “ `E una simulazione di effetto serra!”. Quindi `e stato chiesto lo scopo di avere un cartoncino bianco e uno nero, se fosse possibile che oggetti di colori diversi irradiati da una luce avessero un comportamento diverso. Le risposte da parte di alcuni studenti, appoggiate da tutti i compagni, sono sta- te: “ `E ovvio che gli oggetti si comportano diversamente! Gli indumenti neri fanno pi`u caldo rispetto a quelli colorati in altro modo”, “Il colore chiaro attira meno calore, il calore scuro assorbe pi`u calore”, “Conta ci`o che gli oggetti rilasciano”. Ma qualcuno tra gli studenti ha fatto notare che non stavano spiegando come mai il cartoncino bianco emettesse meno rispetto a quello bianco. Qualcuno ha insinuato il dubbio che fosse la lampada ad avere caratteristiche particolari, visto che `e stata portata anch’essa dall’ester- no. Rispondendo che era una comune lampada da scrivania, `e stato fatto notare che non aveva una lampadina a risparmio energetico, ma una ad incandescenza; alcuni studenti erano a conoscenza che queste sono lampadine a filamento. Chiedendo spiegazioni sui diversi andamenti della temperatura nelle due bottiglie, gli studenti hanno commentato che questi sono diversi “perch´e tempo e temperatura sono inversamente proporzionali” e “perch´e tempo e temperatura non sono direttamente proporzionali”. Gli studenti han- no cercato di fare appello alle conoscenze matematiche e fisiche sugli andamenti delle
funzioni che hanno visto durante l’anno, ma non hanno risposto realmente alla domanda. Il programma del quarto anno del liceo scientifico prevede lo studio della termodina- mica. Infatti sulle domande legate ad essa, usate per cercare di stimolare l’interpretazione degli andamenti diversi della temperatura nelle due bottiglie, gli studenti sembravano pi`u sicuri e presentavano concetti consolidati. Ad esempio, hanno detto che “Il calore si trasmette per convezione, contatto e irraggiamento” e “La velocit`a con cui si riscalda l’acqua sui fornelli dipende da quanta acqua metto al fuoco, da che materiale `e fatta la pentola e dal fatto che all’inizio la trasmissione di calore avviene per contatto, poi per convezione e poi inizia a contare anche il calore latente”. Alla domanda su come sia possibile che due oggetti raggiungano l’equilibrio termico `e stato risposto che ci`o pu`o av- venire solo per contatto/conduzione tra i due e che l’equilibrio `e raggiunto quando i due oggetti hanno la stessa temperatura.
I commenti sull’esperimento stesso hanno coinvolto la parte riguardante l’evoluzione della temperatura nelle bottiglie dopo lo spegnimento della lampada: “Si raffreddano molto pi`u velocemente di quanto non si riscaldino”, “Si raffreddano perch´e non c’`e pi`u la lampada a scaldarli”, “Torneranno a temperatura iniziale che `e quella a cui si trova la stanza”. Nonostante l’invito rivolto a tutti di prendere appunti sulle temperature nelle bottiglie al passare del tempo, solo uno studente ha riportato sul suo quaderno le misure. Ad ogni modo tutta la classe `e stata attenta alla discussione, ma soprattutto alle esperienze, un alunno ha anche detto “sembra che facciate degli esperimenti di magia”. Da una parte questa frase potrebbe mostrare la bellezza di poter meravigliare i ragazzi facendo vedere loro fenomeni fisici che non hanno ancora studiato, dall’altro, se questo commento fosse venuto fuori perch´e lo studente sente questa materia completamente estranea a se stesso, potrebbe essere una spia per un intervento mirato a migliorare la propria autostima e il rapporto con la fisica.
Dopo aver considerato concluso l’esperimento con le bottiglie, si `e tornati a parlare dell’effetto serra. Fornendo esempi sulle temperature degli altri pianeti, gli studenti hanno
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compreso che la temperatura di un pianeta non dipende solo dalla distanza dal Sole, ma anche dall’effetto serra, che questo non `e un fenomeno puramente terrestre e che esso dipende dalla presenza o meno e dalla composizione dell’atmosfera planetaria. Inoltre gli studenti hanno associato il cartoncino bianco alle calotte polari e il cartoncino nero agli oceani, spiegando ora che “se si scioglie il ghiaccio diminuisce il bianco e aumenta il nero, per cui aumenta la temperatura e ghiaccio si scioglie ancora di pi`u”.
Infine, `e importante segnalare che alcuni studenti, nonostante dovessero uscire per