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.
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.
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°.
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
v2 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.
